Ученые спроектировали новый тип "реакторов" для более быстрой и дешевой добычи «зеленого» водорода. Они разработали метод, который позволяет с помощью магнитов и наночастиц в шесть раз ускорить процесс разложения воды на водород и кислород и сократить потребление энергии при этом на 15%. Собранный в лаборатории полупромышленный прототип реактора готов к проведению тестов на реальном производстве, рассказали разработчики.
Ученые ИТМО создали новый тип реакторов для электролиза воды, который позволяет ускорить и удешевить этот процесс. Они модифицировали реактор магнитами и нанесли на его электроды специальные наночастицы железа-кобальта. Это привело к ускорению реакций электролиза в шесть раз. Кроме того, объем потребляемой энергии снизился на 15%: для производства 1 кг водорода в таком электролизере требуется не 57,3 кВт*ч электричества, а 48,8 кВт*ч.
Основной механизм работы реактора остался тем же, как и в классических вариантах оборудования. В отсек для жидкости заливают щелочь, опускают туда два электрода и подают на них электрическое напряжение. В растворе электрическая цепь замыкается, и под действием электрического тока молекулы воды распадаются на молекулы водорода и кислорода. Первые формируются на электроде с отрицательным зарядом — катоде, а вторые с положительным — на аноде.
— Магнитные наночастицы воздействуют на электронное состояние промежуточных соединений воды так, что они быстрее и эффективнее вступают в реакции. За счет этого снижается количество энергии, потребляемой на активацию этих процессов. В обычных реакторах эти механизмы тоже наблюдаются, но они протекают со значительно меньшей эффективностью и исключительно за счет электрического тока, — сказал «Известиям» аспирант химико-биологического кластера, младший научный сотрудник Передовой инженерной школы ИТМО Илья Шабалкин.
Водород используют в химической, нефтеперерабатывающей, стекольной и пищевой промышленности, металлургии и даже на атомных электростанциях. Он необходим для производства аммиака, метанола, разных металлов и твердого жира, который входит в состав маргарина и мыла. Кроме того, водород — это эффективный альтернативный источник энергии. В промышленных масштабах водород обычно получают путем нагревания метана и паров воды до 700–1000°C. Однако в результате этой химической реакции образуется не только водород, но и углекислый газ.
Более экологичный способ добычи водорода — электролиз воды. Под действием электрического тока вода расщепляется на безопасные для окружающей среды водород и кислород, поэтому такой водород называют зеленым. Но главный недостаток этого метода для промышленности — высокая стоимость.
Все реакции ученые наблюдали в ходе экспериментов на собранном в лаборатории ИТМО полупромышленном прототипе реактора. Химики сами синтезировали наночастицы и печатали полимерные детали для корпуса реактора на 3D-принтере, подбирая максимально эффективный дизайн. Их установка готова к этапу масштабирования. Сейчас в планах ученых — найти промышленных партнеров и протестировать реактор на реальном производстве.
Применяемые магниты и катализаторы позволяют ускорить процесс получения водорода со снижением энергозатрат при электролизе, сказал «Известиям» директор АНО «УК Восточный водородный кластер» Андрей Горбунов. Так как электролиз воды на сегодня считается самым дорогим из-за высоких энергозатрат при производстве водорода, снижение на 15% — высокое достижение.
Потенциально разработка может быть полезна для практической реализации, однако могут возникнуть технические и технологические сложности с интеграцией магнитной системы в промышленные электролизные модули, отметил руководитель Центра компетенций НТИ ФИЦ ПХФ и МХ РАН Алексей Левченко.
— Данная работа — одна из многих, направленных на повышение эффективности электролиза воды, где в обычную электролизную ячейку интегрированы магниты или электромагниты. Работ, посвященных исследованию влияния магнитного поля на эффективность электролиза, достаточно много, — отметил эксперт.
Такие реакторы перспективны сразу по нескольким причинам, пояснил директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Евгений Александров.
— Во-первых, они были напечатаны на 3D-принтере, что делает их доступными для множества вариантов исполнения и легко заменимыми. Во-вторых, добавление магнитов представляет собой дешевое, простое и просто элегантное решение. Электрокаталитические свойства наночастиц железа-кобальта в расщеплении воды уже известны, но влияние магнитного поля на их активность изучено впервые, — сказал эксперт.
В-третьих, конструкция реактора улучшает массообмен, снижает необходимость использования дополнительных перемешивающих устройств, что повышает его надежность, сказал специалист.
