Небагато кліматичних рішень мають недоліки. «Зелений» водень, отриманий з використанням відновлюваної енергії для розщеплення молекул води, міг би приводити в рух важкі транспортні засоби та декарбонізувати такі галузі промисловості, як сталеливарне виробництво, не виділяючи навіть подиху вуглекислого газу. Але оскільки водороздільні машини, або електролізери, розроблені для роботи з чистою водою, збільшення масштабів зеленого водню може посилити глобальний дефіцит прісної води. Зараз кілька дослідницьких груп повідомляють про досягнення у виробництві водню безпосередньо з морської води, яка може стати невичерпним джерелом зеленого водню.
«Це напрямок для майбутнього», — каже Жіфен Рен, фізик з Х’юстонського університету (UH). Проте доктор Кібрія, хімік з матеріалів Університету Калгарі, каже, що наразі є дешевше рішення: подача морської води в опріснювальні установки, які можуть видалити сіль, перш ніж вода потече до звичайних електролізерів.
Сьогодні майже весь водень виробляється шляхом розщеплення метану, спалювання викопного палива для отримання необхідного тепла та тиску. Обидва етапи виділяють вуглекислий газ. Зелений водень міг би замінити цей брудний водень, але на даний момент він коштує більш ніж удвічі дорожче, приблизно 5 доларів за кілограм. Частково це пов’язано з високою вартістю електролізерів, які покладаються на каталізатори з дорогоцінних металів. Міністерство енергетики США нещодавно започаткувало десятирічну роботу з удосконалення електролізерів і зниження вартості зеленого водню до 1 долара за кілограм.
Якщо їм це вдасться, і виробництво зеленого водню стрімко зросте, тиск на світові запаси прісної води може зрости. Щоб отримати 1 кілограм водню за допомогою електролізу, потрібно близько 10 кілограмів води. Згідно з даними Міжнародного агентства відновлюваної енергії, для роботи вантажівок і ключових галузей промисловості на екологічно чистому водні може знадобитися приблизно 25 мільярдів кубічних метрів прісної води на рік, що еквівалентно споживанню води в країні з населенням 62 мільйони людей.
Морська вода майже безмежна, але з її розщепленням виникають свої проблеми. Електролізери побудовані так само, як батареї, з парою електродів, оточених водянистим електролітом. В одній конструкції каталізатори на катоді розщеплюють молекули води на іони водню (H+) і гідроксилу (OH-). Надлишок електронів на катоді з’єднує пари іонів водню в газоподібний водень (H 2 ), який виділяється з води. Тим часом іони OH- проходять через мембрану між електродами, щоб досягти анода, де каталізатори з’єднують кисень у газоподібний кисень (O 2 ), який виділяється.
Однак, коли використовується морська вода, той самий електричний поштовх, який генерує O 2 на аноді, також перетворює іони хлориду в солоній воді на висококорозійний газ хлор, який роз’їдає електроди та каталізатори. Це зазвичай призводить до того, що електролізери виходять з ладу всього за кілька годин, тоді як вони можуть нормально працювати роками.
Зараз три групи повідомляють про зусилля зупинити цю корозію. Дослідники під керівництвом Насіра Махмуда, матеріалознавця з Університету RMIT, Мельбурн, повідомили у номері Small за 8 лютого, що, покриваючи свої електроди негативно зарядженими сполуками, такими як сульфати та фосфати, вони можуть відштовхувати негативно заряджені іони хлориду та запобігати утворенню газоподібний хлор. Команда RMIT повідомила про фактичну відсутність деградації своїх електродів протягом 2 місяців, хоча він генерував лише цівку водню. Відтоді в неопублікованих роботах дослідники вдосконалили свою установку, щоб виробляти водень так само швидко, як комерційні прісноводні електролізери, каже Махмуд.
Shizhang Qiao, нанотехнолог з Університету Аделаїди, і його колеги внесли зміни в другий тип електролізера, який використовує мембрану, проникну лише для іонів H+. Ця установка розщеплює молекули води на аноді замість катода, забираючи електрони для звільнення іонів H+. Іони мігрують через мембрану до катода, де вони поєднуються з електронами, утворюючи H 2 . Цяо та його колеги покрили свої електроди оксидом хрому, який притягував бульбашки іонів OH-, які відштовхували іони хлориду. Пристрій розділяв морську воду протягом 100 годин при сильній течії без деградації , повідомляють вони у номері Nature Energy за 30 січня. «Я дуже радий бачити такий розумний дизайн», — каже фізик з матеріалів UH Шоу Чен.
Цзунпін Шао, інженер-хімік з Нанкінського технологічного університету, та його колеги застосували третій спосіб захисту від хлориду. Вони оточили електроди мембранами, які пропускають лише прісноводну пару з навколишньої ванни з морською водою. Оскільки електролізер перетворює прісну воду на водень і кисень, він створює тиск, який втягує більше молекул води через мембрану, поповнюючи запас прісної води. У випуску журналу Nature за 30 листопада 2022 року Шао та його колеги повідомили, що їх установка працювала 3200 годин без жодних ознак погіршення. «Це схоже на процес внутрішньої дистиляції», — каже Хаотян Ван, прикладний фізик з Університету Райса.
Мембрани, які відсіюють сіль, нагадують мембрани комерційних опріснювальних установок, які вже достатньо ефективні, щоб виробляти прісну воду, додаючи лише близько 0,01 долара за кілограм до вартості зеленого водню. Ось чому Кібрія каже, що возитися з електролізерами не має такого сенсу, як просто приєднувати проекти зеленого водню до опріснювальних установок. «Нам не потрібно заново винаходити колесо, — каже він. «Це вирішена проблема».
Махмуд не погоджується. Для початку, каже він, опріснення води не є готовим варіантом для країн, які не можуть дозволити собі масштабні капітальні проекти. Більше того, за його словами, корозійностійкі електроди також можуть бути корисними для забору інших джерел нечистої води, таких як стічні води та солонувата вода. «Нам потрібно продовжувати працювати над альтернативними технологіями», – каже він.
