Новое устройство может производить водород, если его погрузить в соленую воду

Джон Тиммер — 30 ноября 2022 г., 21:55 UTC

Поскольку возобновляемая энергия дешевеет, появляется растущий стимул искать способы ее экономичного хранения. Батареи могут справиться с кратковременными перепадами производительности, но могут быть не в состоянии справиться с долгосрочным дефицитом или сезонными изменениями выходной мощности. Водород является одним из нескольких рассматриваемых вариантов, который потенциально может служить долгосрочным мостом между периодами высокой производительности возобновляемых источников энергии.

Но у водорода есть свои проблемы. Получение его путем расщепления воды довольно неэффективно с точки зрения энергопотребления, а хранение в течение длительного времени может оказаться сложной задачей. Большинство катализаторов для производства водорода также лучше всего работают с чистой водой, которую не обязательно легко получить, поскольку изменение климата усиливает интенсивность засух.

Группа исследователей из Китая разработала устройство, которое может производить водород при использовании морской воды — на самом деле, чтобы работать, устройству необходимо находиться в морской воде. Ключевая концепция того, как заставить это работать, будет знакома каждому, кто понимает, как работает большая часть водонепроницаемой одежды.

Водонепроницаемая, дышащая одежда состоит из мембраны с тщательно структурированными порами. Мембрана изготовлена ​​из материала, который отталкивает воду. Поры в нем есть, но они слишком малы, чтобы пропустить жидкую воду. Но они достаточно велики, чтобы сквозь них могли пройти отдельные молекулы воды. В результате любая вода на внешней стороне одежды остается там, но любой испаряющийся пот на внутренней стороне все равно будет течь через ткань и проникать во внешний мир. В результате ткань дышит.

Подобная мембрана играет центральную роль в функции нового устройства. Он препятствует проникновению жидкой воды через мембрану, но пропускает водяной пар. Большая разница в том, что по обе стороны мембраны находится жидкая вода.

Снаружи — морская вода со стандартным набором солей. Внутри находится концентрированный раствор единственной соли — в данном случае гидроксида калия (KOH), — который совместим с процессом электролиза с получением водорода. В раствор КОН погружен набор электродов, которые производят водород и кислород по обе стороны сепаратора, сохраняя чистоту газовых потоков.

Так что же происходит, когда оборудование начинает работать? Поскольку вода внутри устройства расщепляется, образуя водород и кислород, пониженный уровень воды увеличивает концентрацию раствора КОН (который изначально был гораздо более концентрированным, чем морская вода). Это делает энергетически выгодным перемещение воды через мембрану из морской воды и разбавление КОН. А из-за пор это возможно, но только если вода движется в виде пара.

В результате вода некоторое время находится в парообразном состоянии внутри мембраны, а затем быстро возвращается в жидкое состояние, оказавшись внутри устройства. Вся сложная смесь солей морской воды остается за пределами мембраны, а к расщепляющим ее электродам обеспечивается постоянная подача пресной воды. Важно отметить, что все это происходит без использования энергии, обычно связанной с опреснением, что делает весь процесс более энергоэффективным, чем очистка воды для использования в стандартном электролизере.

В принципе все это звучит великолепно, но работает ли это на самом деле? Чтобы выяснить это, команда собрала устройство и использовала его в морской воде залива Шэньчжэнь (залив к северу от Гонконга и Макао). И почти по всем разумным показателям производительности это работало хорошо.

Он сохранял работоспособность даже после 3200 часов использования, а электронная микроскопия мембраны после использования показала, что поры на этом этапе оставались незаблокированными. КОН, используемый в системе, не был полностью чистым, поэтому содержал небольшое количество ионов, содержащихся в морской воде. Но эти уровни не увеличились с течением времени, подтверждая, что система не допускала попадания морской воды в камеру электролиза. С точки зрения энергопотребления система потребляла примерно столько же энергии, сколько стандартный электролизер, подтверждая, что очистка воды не требует каких-либо энергетических затрат.