Nová elektrochemická metoda rozděluje vodu s elektřinou na vodíkové palivo – a snižuje náklady na energii v procesu
Vědci vyvinuli novou techniku, která zdvojnásobuje množství vodíku produkovaného při štěpení molekul vody elektřinou. Metoda funguje tak, že se do reaktoru přidá jednoduchá organická molekula a modifikovaný katalyzátor.
Upravená metoda snižuje náklady na energii až o 40 % a může nabídnout „slibnou cestu pro účinnou a škálovatelnou výrobu vodíku,“ uvedli vědci v nové studii zveřejněné 1. Chemical Engineering Journal.
Použití elektřiny k rozdělení vody na molekuly vodíku a kyslíku – metoda známá jako elektrolýza – by mohla potenciálně nabídnout způsob, jak vytvořit vodík bez přímých emisí oxidu uhličitého.
Funguje to tak, že se dvě kovové desky známé jako elektrody připojí ke zdroji stejnosměrného proudu a konce desek se ponoří do vody. Přivedením elektřiny do obvodu se generuje vodík na záporné elektrodě (anoda) a kyslík na kladné elektrodě (katoda).
Elektrolýza vody je však v současnosti neefektivní, drahá a spotřebovává velké množství elektřiny, která často pochází z neobnovitelných zdrojů. Hlavní neefektivita spočívá v produkci kyslíku na anodě, vysvětlil Heidarpour.
Aby se tento problém vyřešil, tým za novou studií upravil standardní nastavení elektrolýzy tak, aby nahradilo reakci tvořící kyslík reakcí, která produkuje vodík oxidací organické molekuly.
Nejprve vědci vytvořili dvě komory obsahující roztoky hydroxidu draselného (KOH), které byly odděleny tenkou membránou, a poté připojili elektrodu ke každé komoře, aby vytvořili obvod. Tým přidal do anodové komory chemikálii zvanou hydroxymethylfurfural (HMF) a také modifikovaný měděný katalyzátor. Heidarpur řekl, že atomy chrómu na povrchu jejich specificky navrženého katalyzátoru pomáhají podporovat produkci vodíku tím, že stabilizují atomy mědi v jejich reaktivním stavu.
Když tým použil elektřinu, elektrony z anody oxidovaly aldehydové skupiny v molekulách HMF. To generovalo vodík a vedlejší produkt zvaný HMFCA, který může najít využití jako chemická surovina pro výrobu bioplastů, řekl Heidarpour. (Aldehydy mají atom uhlíku dvojitě vázaný k atomu kyslíku a jednoduchou vazbu k atomu vodíku.)
Tato upravená metoda efektivně zdvojnásobuje množství vodíku vyrobeného najednou, přičemž se počítá také s vodíkem vytvořeným štěpením molekul vody na katodě jako obvykle.
Reakce také probíhaly při napětí kolem 0,4 voltu, což je asi o 1 volt méně než při konvenční elektrolýze vody. Vědci uvedli, že to pomáhá snížit celkovou spotřebu energie až o 40 %.
Heidarpour řekl, že tým není první, kdo to oznámil typ strategie ale vysvětlili, že zvýšili celkovou rychlost produkce vodíku použitím účinnějšího katalyzátoru.
HMF se často vyrábí rozkladem nepotravinářských rostlinných materiálů, jako jsou zbytky papíru, což z něj činí atraktivní činidlo pro použití v těchto systémech. HMF je však v současnosti drahý materiál.
Místo toho by mohly být použity jiné molekuly obsahující aldehyd, jako je formaldehyd. „Tam, kde je přebytek organických substrátů s nízkou hodnotou, může být jejich oxidace na cennější chemikálie se současnou generací vodíku atraktivním a ekologickým způsobem výroby dvou surovin najednou.“ Mark SymesProfesor elektrochemie a elektrochemické technologie na University of Glasgow, který se studie nezúčastnil, řekl Live Science v e-mailu.
Vědci poznamenali, že stále existují způsoby, jak proces zlepšit, aby byl efektivnější.
Například je třeba udělat další práci na zlepšení stability katalyzátoru, aby „mohl fungovat tisíce hodin v průmyslovém prostředí,“ řekl Heidarpur.
