Исследователи из Чикагского университета штата Иллинойс впервые разработали новый метод получения газообразного водорода из воды, используя солнечную энергию и сельскохозяйственные отходы, такие как навоз и шелуха. Этот инновационный процесс значительно снижает энергозатраты, необходимые для извлечения водорода из воды, на 600%, открывая путь к более устойчивому и экологичному химическому производству.
Водородное топливо считается одним из наиболее перспективных экологически чистых источников энергии. Однако получение чистого газообразного водорода, как правило, является энергоемким процессом, который часто требует использования угля, природного газа и значительных затрат электроэнергии.
В недавней публикации в журнале Cell Reports Physical Science группа ученых во главе с инженером Чикагского университета штата Иллинойс Минешем Сингхом представила этот новый экологически чистый метод производства водорода.
В методе команды Чикагского университета штата Иллинойс используется богатый углеродом материал, известный как биоуголь, для снижения затрат электроэнергии, необходимой для электролиза воды — процесса расщепления воды на водород и кислород. Используя возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия или энергия ветра, и используя побочные продукты для других целей, этот подход может эффективно свести выбросы парниковых газов к нулю.
“Мы — первая группа, которая продемонстрировала, что вы можете производить водород, используя биомассу с напряжением в несколько долей вольта”, — сказал Сингх, доцент кафедры химической инженерии. “Это инновационная технология”.
Для электролиза требуется электрический ток, и в промышленных масштабах для выработки необходимой электроэнергии часто используется ископаемое топливо. Хотя ученым недавно удалось снизить напряжение, необходимое для расщепления воды, добавив в реакцию источник углерода, эти методы обычно используют уголь или дорогостоящие химикаты и все равно выделяют углекислый газ.
Сингх и его коллеги адаптировали этот процесс, используя биомассу, полученную из обычных отходов. Они смешивают серную кислоту с отходами сельского хозяйства, животноводства или канализационными стоками, чтобы получить богатую углеродом суспензию, называемую биоуголь.
Исследователи экспериментировали с различными типами биоугля, изготовленного из шелухи сахарного тростника, отходов конопли, бумаги и коровьего навоза. Каждый тип биоугля снижал мощность, необходимую для преобразования воды в водород при подаче в камеру электролиза. Примечательно, что коровий навоз показал себя с наилучшей стороны, снизив потребность в электричестве в шесть раз, примерно до одной пятой вольта.
Потребность в энергии была настолько минимальной, что исследователи смогли запитать реакцию с помощью одного стандартного кремниевого солнечного элемента, который генерирует примерно 15 миллиампер тока при напряжении 0,5 вольта — меньше, чем мощность, вырабатываемая батареей типа АА.
“Это очень эффективно, почти на 35% преобразуя биоуголь и солнечную энергию в водород”, — отмечает Рохит Чаухан, соавтор и аспирант лаборатории Сингха. “Это рекордные показатели в мире, это самый высокий показатель, который когда-либо был продемонстрирован”.
Нулевые выбросы и экономические выгоды
Для достижения нулевых выбросов в процессе необходимо улавливать углекислый газ, образующийся в результате реакции. Сингх объяснил, что это также может принести экологические и экономические выгоды, такие как получение чистого углекислого газа для газирования напитков или превращение его в этилен и другие химические вещества, используемые в производстве пластмасс.
“Это не только диверсифицирует использование биологических отходов, но и позволяет производить экологически чистые химические вещества, помимо водорода”, — говорит Нишитан Кани, выпускник Чикагского университета штата Иллинойс и соавтор статьи. “Этот дешевый способ производства водорода может позволить фермерам обеспечить свои энергетические потребности на самообеспечении или создать новые источники дохода”.
Последствия для устойчивой энергетики
Этот новаторский метод может революционизировать производство водородного топлива, сделав его более доступным и экологичным. Благодаря снижению зависимости от ископаемого топлива и утилизации сельскохозяйственных отходов, этот процесс представляет собой значительный шаг вперед в поиске экологически чистых энергетических решений.
Использование биоугля не только сокращает потребление электроэнергии, необходимой для производства водорода, но и обеспечивает практический способ утилизации отходов сельского хозяйства и животноводства. Это двойное преимущество может иметь далеко идущие последствия — от сокращения выбросов парниковых газов до создания новых экономических возможностей для фермеров.
Поскольку мир стремится перейти на более устойчивые источники энергии, разработка эффективных и недорогостоящих методов производства водорода имеет решающее значение. Инновационный подход команды Чикагского университета штата Иллинойс, использующий биоуголь и солнечную энергию, представляет собой многообещающий шаг вперед в этой области.
Продолжая совершенствовать эту технологию и полностью раскрывать ее потенциал, исследователи надеются внести значительный вклад в глобальные усилия по борьбе с изменением климата и уменьшить нашу зависимость от невозобновляемых источников энергии.
Успешная демонстрация этого метода в лабораторных условиях знаменует собой важную веху. Будущие исследования будут направлены на расширение масштабов процесса и его интеграцию с существующими энергетическими системами. Это может привести к широкому внедрению производства водорода на основе биоугля, что обеспечит более чистый и устойчивый источник энергии для различных применений.
Прорыв инженеров Чикагского университета штата Иллинойс в производстве водородного топлива с использованием солнечной энергии и отходов сельского хозяйства позволяет заглянуть в будущее, где чистая энергетика не только возможна, но и экономически выгодна. Эта инновационная технология способна изменить способы производства и использования энергии, сделав значительный шаг вперед на пути к более устойчивому и экологичному миру.
