Исследователи создали инновационный тип реакторов для ускоренного и более экономичного производства «зеленого» водорода. Они предложили способ, при котором с помощью магнитов и наночастиц процесс разложения воды на кислород и водород ускоряется в шесть раз, а энергозатраты снижаются на 15%. Лабораторный полупромышленный прототип установки готов к испытаниям в промышленных условиях, сообщили разработчики. Подробнее — в статье «Известий».
Что такое зеленый водородСпециалисты ИТМО создали новый вид реакторов для электролиза воды, позволяющий делать процесс быстрее и дешевле. Модификация реактора включала использование магнитов и нанесение на электроды наночастиц железо-кобальта. В результате скорость электролиза возросла в шесть раз, а энергопотребление уменьшилось на 15%: для получения 1 кг водорода требуется не 57,3 кВт*ч, а всего 48,8 кВт*ч.
Фото: пресс-служба ИТМОПринцип действия реактора схож с классическими моделями. В емкость заливают щелочной раствор, в который погружают два электрода и подают напряжение. В растворе возникает электрическая цепь, и под воздействием тока молекулы воды разлагаются на водород и кислород. Водород образуется на катоде — электроде с отрицательным зарядом, кислород — на аноде с положительным.
— Магнитные наночастицы влияют на электронное состояние промежуточных соединений воды, повышая скорость и эффективность реакций. Это уменьшает энергозатраты на их активацию. В стандартных реакторах эти процессы проходят с меньшей эффективностью, используя лишь электрический ток, — объяснил «Известиям» аспирант химико-биологического кластера ИТМО, младший научный сотрудник Передовой инженерной школы, Илья Шабалкин.
Справка «Известий»Водород применяется в химической, нефтеперерабатывающей, стекольной и пищевой промышленности, металлургии, а также на атомных электростанциях. Он нужен для производства аммиака, метанола, различных металлов и твердого жира, используемого в маргарине и мыле. Кроме того, водород – эффективный альтернативный источник энергии. Обычно его получают нагреванием метана и водяных паров до 700–1000°C, но этот процесс сопровождается выбросами углекислого газа.
Самым экологичным способом считается электролиз воды, при котором под действием электричества вода расщепляется на экологически безопасные водород и кислород. Такой водород и называется зеленым. Главная сложность этого метода — высокая стоимость для масштабного промышленного применения.
Ученые проводили эксперименты на лабораторном полупромышленном прототипе реактора, собранном в ИТМО. Химики самостоятельно синтезировали наночастицы и изготавливали детали корпуса на 3D-принтере, подбирая оптимальный дизайн. Установка готова к масштабированию, и следующее задание ученых — найти промышленных партнеров для тестирования оборудования в реальных условиях производства.
Прорыв в области зеленой энергетикиИспользование магнитов и катализаторов позволяет ускорять производство водорода при сниженных энергозатратах, отметил «Известиям» директор АНО «УК Восточный водородный кластер» Андрей Горбунов. Электролиз воды сегодня считается одним из самых дорогих методов из-за больших энергетических расходов, поэтому сокращение их на 15% является значительным успехом.
Фото: пресс-служба ИТМООднако на пути внедрения данной технологии могут возникнуть технические сложности с интеграцией магнитной системы в промышленные электролизные установки, отметил руководитель Центра компетенций НТИ ФИЦ ПХФ и МХ РАН Алексей Левченко.
— Эта работа входит в число многих исследований, направленных на повышение эффективности электролиза воды путем добавления магнитов или электромагнитов в классические электролизные ячейки. Анализ влияния магнитного поля на процесс электролиза достаточно широко изучается, — добавил эксперт.
Директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Евгений Александров указал на несколько преимуществ таких реакторов.
— Во-первых, они созданы на 3D-принтере, что обеспечивает гибкость в исполнении и легкую замену. Во-вторых, добавление магнитов — это недорогое, простое и изящное решение. Электрокаталитические свойства наночастиц железа-кобальта в расщеплении воды были известны, однако изучение влияния магнитного поля на их активность проводится впервые, — отметил эксперт.
В-третьих, конструкция реактора ускоряет массообмен и уменьшает потребность в дополнительных смешивающих устройствах, что повышает надежность работы установки, добавил специалист.
Исследование осуществляется при поддержке программы «Приоритет 2030». Результаты опубликованы в Chemical Engineering Journal.