1 декабря в научном издании Chemical Engineering Journal было опубликовано исследование, проведенное учеными из Университета Макгилла в Монреале, Канада. Группа исследователей, соавтором которой выступил докторант Хамед Хейдарпур, представила новую электрохимическую методику расщепления молекул воды. Ключевым достижением стала возможность удвоить количество производимого водорода по сравнению со стандартными методами, при этом сократив энергетические затраты до 40%.
Процесс протекает при напряжении около 0,4 вольта, что приблизительно на 1 вольт ниже показателей, необходимых для обычного электролиза воды. Инновация заключается в замене традиционной реакции, образующей кислород, на процесс, генерирующий водород. Это стало возможным благодаря добавлению в реактор простой органической молекулы и использованию модифицированного катализатора.
Техническая установка включает две камеры, заполненные растворами гидроксида калия (KOH) и разделенные тонкой мембраной, с электродами, подключенными к источнику постоянного тока. Главное новшество было применено на аноде: в камеру добавляется химическое вещество гидроксиметилфурфурол (HMF). Для реакции используется модифицированный медный катализатор, в котором атомы хрома на поверхности стабилизируют атомы меди в их реактивном состоянии.
Химический механизм процесса основан на том, что электроны от анода окисляют альдегидные группы в молекулах HMF. Альдегид определяется как атом углерода, имеющий двойную связь с атомом кислорода и одинарную связь с атомом водорода. В отличие от стандартного электролиза, где на аноде неэффективно выделяется кислород, новая методика позволяет получать водород одновременно и на отрицательном электроде (катоде), и на положительном (аноде).
Первичным продуктом реакции является водород, а побочным продуктом — HMFCA, который имеет потенциал использования в качестве химического сырья для производства биопластика. Источником HMF служат непищевые растительные материалы, например, остатки бумаги, однако на данный момент это вещество остается дорогим. Ученые рассматривают возможность использования альтернативных субстратов, таких как формальдегид, который также содержит альдегидные группы.
В контексте современной промышленности водород востребован для производства аммиака (используемого в удобрениях), питания топливных элементов и прямого сжигания для получения энергии. Доминирующим методом производства сегодня является паровой риформинг, при котором вода реагирует с природным газом при высоких температурах, что требует больших затрат энергии и сжигания ископаемого топлива. Стандартный электролиз, расщепляющий воду электричеством, также считается неэффективным и дорогостоящим из-за проблем с генерацией кислорода на аноде.
Для практического применения новой технологии необходимо решить вопрос долговечности материалов. Катализатор требует значительного улучшения стабильности, чтобы эффективно работать в течение «тысяч часов» в промышленных условиях. Это является критическим условием для масштабирования метода за пределы лаборатории.
Марк Саймс, профессор электрохимии и электрохимических технологий из Университета Глазго, не участвовавший в данном исследовании, прокомментировал результаты работы. Он отметил, что переработка излишков малоценных органических субстратов в ценные химические вещества с параллельной генерацией водорода — это «привлекательный и экологически чистый способ создания двух видов сырья одновременно».
Изображение носит иллюстративный характер
Процесс протекает при напряжении около 0,4 вольта, что приблизительно на 1 вольт ниже показателей, необходимых для обычного электролиза воды. Инновация заключается в замене традиционной реакции, образующей кислород, на процесс, генерирующий водород. Это стало возможным благодаря добавлению в реактор простой органической молекулы и использованию модифицированного катализатора.
Техническая установка включает две камеры, заполненные растворами гидроксида калия (KOH) и разделенные тонкой мембраной, с электродами, подключенными к источнику постоянного тока. Главное новшество было применено на аноде: в камеру добавляется химическое вещество гидроксиметилфурфурол (HMF). Для реакции используется модифицированный медный катализатор, в котором атомы хрома на поверхности стабилизируют атомы меди в их реактивном состоянии.
Химический механизм процесса основан на том, что электроны от анода окисляют альдегидные группы в молекулах HMF. Альдегид определяется как атом углерода, имеющий двойную связь с атомом кислорода и одинарную связь с атомом водорода. В отличие от стандартного электролиза, где на аноде неэффективно выделяется кислород, новая методика позволяет получать водород одновременно и на отрицательном электроде (катоде), и на положительном (аноде).
Первичным продуктом реакции является водород, а побочным продуктом — HMFCA, который имеет потенциал использования в качестве химического сырья для производства биопластика. Источником HMF служат непищевые растительные материалы, например, остатки бумаги, однако на данный момент это вещество остается дорогим. Ученые рассматривают возможность использования альтернативных субстратов, таких как формальдегид, который также содержит альдегидные группы.
В контексте современной промышленности водород востребован для производства аммиака (используемого в удобрениях), питания топливных элементов и прямого сжигания для получения энергии. Доминирующим методом производства сегодня является паровой риформинг, при котором вода реагирует с природным газом при высоких температурах, что требует больших затрат энергии и сжигания ископаемого топлива. Стандартный электролиз, расщепляющий воду электричеством, также считается неэффективным и дорогостоящим из-за проблем с генерацией кислорода на аноде.
Для практического применения новой технологии необходимо решить вопрос долговечности материалов. Катализатор требует значительного улучшения стабильности, чтобы эффективно работать в течение «тысяч часов» в промышленных условиях. Это является критическим условием для масштабирования метода за пределы лаборатории.
Марк Саймс, профессор электрохимии и электрохимических технологий из Университета Глазго, не участвовавший в данном исследовании, прокомментировал результаты работы. Он отметил, что переработка излишков малоценных органических субстратов в ценные химические вещества с параллельной генерацией водорода — это «привлекательный и экологически чистый способ создания двух видов сырья одновременно».
