Использование ржавчины и органических отходов для производства водородного топлива

Ученые открыли новый и эффективный способ получения водорода из раствора органических отходов с использованием катализатора, получаемого из ржавчины.

В сегодняшнем повествовании об изменении климата, загрязнении окружающей среды и сокращении ресурсов, одно топливо может изменить ситуацию в энергетической отрасли: водород. При сжигании в двигателе внутреннего сгорания или на электростанции водородное топливо производит только воду, что делает его намного чище, чем нефть. Без производства токсичных газов, без вклада в изменение климата и без смога водород может стать ответом на будущее более чистой энергии, так почему же он не используется более широко?

Для этого есть две причины. Во-первых, водород легко воспламеняется и очень легко вытекает из резервуаров, что создает потенциальную опасность взрыва во время хранения и транспортировки. Во-вторых, хотя чистый водород встречается в природе на Земле, он не найден в количествах, достаточных для экономически эффективного использования. Атомы водорода должны быть извлечены из молекул, таких как метан или вода, что требует большого количества энергии. Хотя существует несколько методов производства водородного топлива, ученым еще предстоит сделать этот процесс «достаточно эффективным», чтобы сделать водород коммерчески конкурентоспособным топливом на энергетическом рынке. До тех пор, пока это не будет достигнуто, нефть, вероятно, будет продолжать доминировать в отрасли.

В течение десятилетий ученые работали над дешевым, эффективным и безопасным способом производства водородного топлива. Одним из наиболее многообещающих методов для достижения этой цели являются солнечные процессы, использующие свет для ускорения (или «катализирования») реакции расщепления молекул воды на кислород и газообразный водород. В 1970-х годах два ученых описали эффект Honda-Fujishima, который использует диоксид титана в качестве фотокатализатора при производстве водорода. Опираясь на это исследование, команда японских исследователей во главе с профессором Кенити Кацумата из Токийского университета науки попыталась использовать более дешевый и более доступный полупроводниковый катализатор для этой реакции, надеясь еще больше повысить его эффективность, уменьшив затраты на производство и безопасность водородного топлива. При использовании формы ржавчины, называемой α-FeOOH, производство водорода при облучении лампой Hg-Xe может быть в 25 раз выше, чем у катализатора на основе диоксида титана при том же освещении.

Эксперимент, проведенный профессором Кацуматой и его коллегами, был направлен на решение общих проблем, возникающих при использовании полупроводниковых катализаторов в производстве водорода на солнечной энергии. Есть три основных препятствия, описанные авторами. Во-первых, необходимо, чтобы материал катализатора был пригоден для использования световой энергии. Во-вторых, большинство используемых в настоящее время фотокатализаторов требуют использования в качестве сокатализаторов редких или «благородных» металлов, которые дороги и их трудно получить. Последняя проблема возникает из-за фактического производства газов водорода и кислорода. Если не разделить сразу, смесь этих двух газов может в лучшем случае уменьшить выход водородного топлива, а в худшем случае вызвать взрыв. Поэтому они стремились найти решение, которое может не только повысить эффективность реакции.

Команда определила многообещающий потенциальный катализатор в α-FeOOH (или ржавчину) и поставила эксперимент, чтобы оценить его эффективность для производства водорода и оптимальные экспериментальные условия для его активации. «Мы были очень удивлены генерацией водорода с использованием этого катализатора, — утверждает профессор Кацумата, — поскольку неизвестно, что большинство оксидов железа восстанавливаются до водорода. Впоследствии мы искали условие активации α-FeOOH и обнаружили, что кислород является незаменимым фактором, что стало вторым сюрпризом, поскольку многие исследования показали, что кислород подавляет выработку водорода, захватывая возбужденные электроны». Команда подтвердила механизм получения водорода из водно-метанольного раствора методом «газовой хроматографии масс спектрометрий».

Источник

Метки: водород, энергетика