Исследователи из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) разработали инновационную фотовольтаическую-электрокаталитическую систему, работающую на солнечной энергии. Эта технология одновременно преобразует загрязнители сточных вод и пластиковые отходы в ценные химические вещества, не производя при этом выбросов углекислого газа.
Проект возглавили профессор Чо Сынг Хо и профессор Сон Мён Хун с кафедры материаловедения и инженерии UNIST. Результаты их работы опубликованы в научном журнале Nano Letters. Разработанная система предлагает устойчивую альтернативу традиционным методам производства и переработки.
Система состоит из высокоэффективной и долговечной перовскитной солнечной ячейки, превосходящей по электрической мощности коммерческие кремниевые аналоги, и специально разработанного эффективного электрокатализатора RuCo-NT/CF. Эти компоненты интегрированы в электрохимическую ячейку с анодом и катодом, где происходит преобразование отходов.
В процессе работы системы нитриты (NO2-), загрязняющие сточные воды, и этиленгликоль, извлеченный из пластиковых отходов, таких как ПЭТ (полиэтилентерефталат), используются в качестве исходных материалов. На выходе система производит аммиак (NH3) и гликолевую кислоту, являющуюся важным компонентом в косметической промышленности.
Электрохимические реакции, питаемые солнечной энергией, протекают следующим образом: на аноде нитрит (NO2-) восстанавливается до аммиака, а на катоде этиленгликоль окисляется до гликолевой кислоты. Исследователи сосредоточились на преобразовании нитрита, так как это требует меньше энергии и времени по сравнению с преобразованием нитрата (NO3-). Катализатор RuCo-NT/CF избирательно способствует этой реакции.
Ключевым преимуществом процесса является отказ от энергоемкой реакции выделения кислорода, что повышает общую эффективность. Скорость производства аммиака напрямую зависит от плотности фотовольтаического тока, генерируемого солнечной ячейкой, что подтверждает прямую связь между солнечной энергией и химическим синтезом.
Разработанная система продемонстрировала выдающуюся энергоэффективность на аноде — 52,3%, что является самым высоким показателем, зарегистрированным на сегодняшний день для подобных систем. Скорость производства аммиака достигла 146 мкмоль/см²ч.
Этот показатель значительно превышает критерий коммерциализации, установленный Министерством энергетики США (DOE), который составляет 58,72 мкмоль/см²ч. Результат UNIST представляет собой улучшение на 46% по сравнению с предыдущими рекордами в этой области.
Для проверки потенциала коммерческого применения был проведен тест с использованием электролита, имитирующего низкоактивные радиоактивные сточные воды, и материалов, извлеченных из ПЭТ. В этих условиях система достигла скорости производства аммиака 114 мкмоль/см²ч.
Аммиак является вторым по объему производимым неорганическим соединением в мире после серной кислоты. Традиционный процесс Габера-Боша, используемый для его синтеза, ответственен за 1,4% от общих мировых выбросов CO2. Это подчеркивает острую необходимость в разработке экологически чистых альтернатив.
Профессор Сон Мён Хун отметил: «Это исследование открывает возможности для безэмиссионного электрохимического производства аммиака с использованием высокоэффективных перовскитных солнечных элементов».
Профессор Чо Сынг Хо добавил: «Наша работа предлагает устойчивое, углеродно-нейтральное энергетическое решение, позволяющее одновременно производить зеленый аммиак и гликолевую кислоту, используя солнечный свет и отходы».
Изображение носит иллюстративный характер
Проект возглавили профессор Чо Сынг Хо и профессор Сон Мён Хун с кафедры материаловедения и инженерии UNIST. Результаты их работы опубликованы в научном журнале Nano Letters. Разработанная система предлагает устойчивую альтернативу традиционным методам производства и переработки.
Система состоит из высокоэффективной и долговечной перовскитной солнечной ячейки, превосходящей по электрической мощности коммерческие кремниевые аналоги, и специально разработанного эффективного электрокатализатора RuCo-NT/CF. Эти компоненты интегрированы в электрохимическую ячейку с анодом и катодом, где происходит преобразование отходов.
В процессе работы системы нитриты (NO2-), загрязняющие сточные воды, и этиленгликоль, извлеченный из пластиковых отходов, таких как ПЭТ (полиэтилентерефталат), используются в качестве исходных материалов. На выходе система производит аммиак (NH3) и гликолевую кислоту, являющуюся важным компонентом в косметической промышленности.
Электрохимические реакции, питаемые солнечной энергией, протекают следующим образом: на аноде нитрит (NO2-) восстанавливается до аммиака, а на катоде этиленгликоль окисляется до гликолевой кислоты. Исследователи сосредоточились на преобразовании нитрита, так как это требует меньше энергии и времени по сравнению с преобразованием нитрата (NO3-). Катализатор RuCo-NT/CF избирательно способствует этой реакции.
Ключевым преимуществом процесса является отказ от энергоемкой реакции выделения кислорода, что повышает общую эффективность. Скорость производства аммиака напрямую зависит от плотности фотовольтаического тока, генерируемого солнечной ячейкой, что подтверждает прямую связь между солнечной энергией и химическим синтезом.
Разработанная система продемонстрировала выдающуюся энергоэффективность на аноде — 52,3%, что является самым высоким показателем, зарегистрированным на сегодняшний день для подобных систем. Скорость производства аммиака достигла 146 мкмоль/см²ч.
Этот показатель значительно превышает критерий коммерциализации, установленный Министерством энергетики США (DOE), который составляет 58,72 мкмоль/см²ч. Результат UNIST представляет собой улучшение на 46% по сравнению с предыдущими рекордами в этой области.
Для проверки потенциала коммерческого применения был проведен тест с использованием электролита, имитирующего низкоактивные радиоактивные сточные воды, и материалов, извлеченных из ПЭТ. В этих условиях система достигла скорости производства аммиака 114 мкмоль/см²ч.
Аммиак является вторым по объему производимым неорганическим соединением в мире после серной кислоты. Традиционный процесс Габера-Боша, используемый для его синтеза, ответственен за 1,4% от общих мировых выбросов CO2. Это подчеркивает острую необходимость в разработке экологически чистых альтернатив.
Профессор Сон Мён Хун отметил: «Это исследование открывает возможности для безэмиссионного электрохимического производства аммиака с использованием высокоэффективных перовскитных солнечных элементов».
Профессор Чо Сынг Хо добавил: «Наша работа предлагает устойчивое, углеродно-нейтральное энергетическое решение, позволяющее одновременно производить зеленый аммиак и гликолевую кислоту, используя солнечный свет и отходы».
