Wodór po raz pierwszy otrzymano sztucznie na początku XVI wieku w reakcji metalu z kwasem. W latach 1766–1781 Henry Cavendish był pierwszą osobą, która stwierdziła, że wodór jest oddzielną substancją chemiczną, po spaleniu której powstaje woda. Ta właściwość zadecydowała o nazwie tego pierwiastka chemicznego, ponieważ w języku greckim υδρογόνο (ydrogóno) oznacza „tworzący wodę”.
Podział wody na wodór i tlen stanowi alternatywę dla paliw kopalnych, ale oczyszczona woda jest cennym zasobem. Zespół kierowany przez Stanford opracował obecnie sposób na wykorzystanie wody morskiej – najobfitszego źródła Ziemi – do wytwarzania energii chemicznej.
Na filmie pokazane jest w jaki sposób pozyskać wodór w domowych warunkach.
Naukowcy ze Stanford wytwarzają paliwo wodorowe z wody morskiej
Naukowcy ze Stanford opracowali sposób na wytwarzanie paliwa wodorowego za pomocą energii słonecznej, elektrod i słonej wody z Zatoki San Francisco.
Hongjie Dai i jego laboratorium badawcze na Uniwersytecie Stanforda opracowali prototyp, który może generować paliwo wodorowe z wody morskiej. (Źródło zdjęcia: dzięki uprzejmości H. Dai, Yun Kuang, Michael Kenney)
Odkrycia, opublikowane 18 marca w Proceedings of the National Academy of Sciences , pokazują nowy sposób oddzielania gazowego wodoru i tlenu od wody morskiej za pomocą elektryczności. Istniejące metody dzielenia wody opierają się na wysoko oczyszczonej wodzie, która jest cennym zasobem i kosztowna w produkcji.
Teoretycznie do zasilania miast i samochodów „potrzeba się tak dużo wodoru, że nie można sobie wyobrazić użycia wody oczyszczonej” – powiedział Hongjie Dai , profesor chemii JG Jackson i CJ Wood w Stanford School of Humanities and Sciences oraz współautor publikacji na ten temat. papier. „Mamy ledwie wystarczającą ilość wody na nasze obecne potrzeby w Kalifornii”.
Wodór jest atrakcyjną opcją dla paliwa, ponieważ nie emituje dwutlenku węgla, powiedział Dai. Spalanie wodoru wytwarza tylko wodę i powinno złagodzić nasilające się problemy związane ze zmianą klimatu.
Dai powiedział, że jego laboratorium pokazało weryfikację koncepcji z demonstracją, ale naukowcy pozostawią producentom skalowanie i masową produkcję projektu.
Walka z korozją
Jako koncepcja, dzielenie wody na wodór i tlen za pomocą energii elektrycznej – zwane elektrolizą – jest prostym i starym pomysłem: źródło zasilania łączy się z dwiema elektrodami umieszczonymi w wodzie. Po włączeniu zasilania z ujemnego końca – zwanego katodą – wydobywa się gazowy wodór, a na dodatnim – anodzie – pojawia się tlen do oddychania.
Jednak ujemnie naładowany chlorek w soli wody morskiej może powodować korozję końcówki dodatniej, ograniczając żywotność systemu. Dai i jego zespół chcieli znaleźć sposób na powstrzymanie tych składników wody morskiej przed zniszczeniem zanurzonych anod.
Naukowcy odkryli, że jeśli pokryją anodę warstwami bogatymi w ładunki ujemne, warstwy te odpychają chlorek i spowalniają rozpad metalu znajdującego się pod spodem.
Nałożyli warstwę wodorotlenku niklu i żelaza na siarczek niklu, który pokrywa rdzeń z pianki niklowej. Pianka niklowa działa jak przewodnik – transportując energię elektryczną ze źródła zasilania – a wodorotlenek niklowo-żelazowy inicjuje elektrolizę, rozdzielając wodę na tlen i wodór. Podczas elektrolizy siarczek niklu przekształca się w ujemnie naładowaną warstwę, która chroni anodę. Tak jak ujemne końce dwóch magnesów naciskają na siebie, ujemnie naładowana warstwa odpycha chlorek i uniemożliwia mu dotarcie do metalu rdzenia.
Według Michaela Kenneya, doktoranta w laboratorium Dai i współautora artykułu, bez powłoki naładowanej ujemnie anoda działa tylko przez około 12 godzin w wodzie morskiej. „Cała elektroda rozpada się i rozpada” – powiedział Kenney. „Ale dzięki tej warstwie jest w stanie wytrzymać ponad tysiąc godzin”.
Wcześniejsze badania, w których próbowano podzielić wodę morską na paliwo wodorowe, miały niewielkie ilości prądu elektrycznego, ponieważ korozja występuje przy wyższych prądach. Ale Dai, Kenney i ich koledzy byli w stanie przewodzić do 10 razy więcej energii elektrycznej przez swoje wielowarstwowe urządzenie, co pomaga w szybszym wytwarzaniu wodoru z wody morskiej.
„Myślę, że ustanowiliśmy rekord w zakresie dzielenia wody morskiej” – powiedział Dai.
Członkowie zespołu przeprowadzili większość swoich testów w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, w których mogli regulować ilość energii elektrycznej wchodzącej do systemu. Ale zaprojektowali także maszynę demonstracyjną zasilaną energią słoneczną, która wytwarzała gazowy wodór i tlen z wody morskiej zebranej w Zatoce San Francisco.
I bez ryzyka korozji spowodowanej solami, urządzenie pasowało do obecnych technologii wykorzystujących oczyszczoną wodę. „Imponującą rzeczą w tym badaniu było to, że byliśmy w stanie operować przy prądach elektrycznych, które są takie same, jak obecne w przemyśle” – powiedział Kenney.
Zaskakująco proste
Patrząc wstecz, Dai i Kenney widzą prostotę swojego projektu. „Gdybyśmy mieli kryształową kulę trzy lata temu, zrobilibyśmy to w miesiąc” – powiedział Dai. Ale teraz, gdy podstawowy przepis na elektrolizę wodą morską został opracowany, nowa metoda otworzy drzwi do zwiększenia dostępności paliwa wodorowego zasilanego energią słoneczną lub wiatrową.
W przyszłości technologia może być wykorzystywana do celów wykraczających poza generowanie energii. Ponieważ proces ten wytwarza również tlen do oddychania, nurkowie lub łodzie podwodne mogą wnosić urządzenia do oceanu i generować tlen na dole bez konieczności wynurzania się w poszukiwaniu powietrza.
Jeśli chodzi o transfer technologii, „można po prostu użyć tych elementów w istniejących systemach elektrolizerów, a to może być dość szybkie” – powiedział Dai. „To nie jest tak, jak zaczynanie od zera – bardziej jak zaczynanie od 80 lub 90 procent”.
Inni współprowadzący autorzy to wizytujący naukowiec Yun Kuang z Pekińskiego Uniwersytetu Technologii Chemicznej i Yongtao Meng z Shandong University of Science and Technology. Dodatkowi autorzy to Wei-Hsuan Hung, Yijin Liu, Jianan Erick Huang, Rohit Prasanna i Michael McGehee.
Praca ta została sfinansowana przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Narodową Fundację Nauki, Narodową Fundację Nauki w Chinach oraz Krajowy Projekt Badań i Rozwoju Kluczowych Chin.
Tekst przetłumaczony ze strony https://news.stanford.edu/2019/03/18/new-way-generate-hydrogen-fuel-seawater/
