В Корее разрабатывают систему, которая генерирует водород из гидразина с помощью гематита и солнечной энергии

Корреспондент Гу Бон Хёк

Концептуальная схема системы PV-PEC, сочетающей в себе окисление гидразина и генерацию водорода [Предоставлено Университетом Аджу]

Корейские исследователи разработали технологию, способную очищать токсичные промышленные отходы и одновременно производить водород, который является чистым источником энергии.

Национальный исследовательский фонд Кореи сообщил, что исследовательская группа под руководством профессора Чо Ин Сона из Университета Аджу разработала фотоэлектрохимическую (PEC) систему, которая избирательно окисляет (очищает) гидразин, токсичный промышленный отход, значительно повышая эффективность производства водорода с использованием солнечной энергии.

Технология фотоэлектрохимии (PEC), которая напрямую производит водород из воды с помощью солнечного света, привлекла внимание как безуглеродный и экологически чистый способ получения энергии. Однако повышение ее эффективности было серьезно ограничено из-за медленных реакций выделения кислорода и физических ограничений материалов фотоанода.

Среди них гематит (оксид железа) был оценен как многообещающий полупроводниковый материал благодаря своей низкой стоимости, химической стабильности и пригодности для применения на больших площадях. Однако его практическое внедрение столкнулось с серьезными проблемами из-за фундаментального ограничения - очень низкая характеристика переноса и разделения заряда, что приводит к низкой эффективности фототока и производства водорода.

Чтобы преодолеть ограничения существующих материалов для фотоанодов, исследовательская группа разработала процесс MGFA, сочетающий многоступенчатый рост раствора и отжиг высокотемпературным пламенем. Это позволило создать уникальный гематитовый фотоанод с иерархически пористой структурой и выровненной ориентацией кристаллов.

Этот фотоанод эффективно преодолел структурные ограничения традиционных фотоанодов на основе гематита, поддерживая стабильные реакции окисления воды в течение более 100 часов.

Синтез и структурные особенности tp-Fe2O3 с помощью метода MGFA. a) Схема процесса MGFA. b) Концептуальная иллюстрация фотоанода tp-Fe2O3 и его уникальных свойств. c), d) Изображения синтезированного фотоанода tp-Fe2O3, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) в вертикальной проекции и в поперечном сечении. e) Изображения элементного картирования, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM) с помощью энергодисперсионной спектроскопии (EDS). f) Изображение в поперечном сечении и g) изображение с высоким разрешением, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM) с соответствующими паттернами быстрого преобразования Фурье (FFT) [Предоставлено Университетом Аджу]

Фотоэлектрохимическая (PEC) реакция выделения кислорода (OER) и реакция окисления гидразина (HzOR) на фотоанодах Fe2O3. a) Плотность фототока-потенциал (J–V) и b) кривые стабильности фототока фотоанодов nr- и tp-Fe2O3 в 1 М NaOH (pH 13,6). Вставка: изменение морфологии SEM после 100 часов работы. c) Схема системы PEC HzOR. HzOR в щелочном электролите генерирует N2, H2O и четыре электрона. d) J–V и e) хроноамперометрические кривые tp-Fe2O3 для PEC HzOR. Вставка: фотографии образования пузырьков H2 на катоде Pt. f) Фарадеевская эффективность (FE) для O2, N2 и H2. g) Литературное сравнение фотоанодов на основе Fe2O3 (без сокатализаторов выделения кислорода или OEC) для OER и альтернативных реакций окисления (AOR) [Предоставлено Университетом Аджу]

Кроме того, для решения проблемы медленной реакции окисления исследовательская группа внедрила стратегию, использующую отходы гидразина в качестве топлива для реакции окисления. Это позволило обойти реакционный барьер, ограничивающий эффективность производства водорода, и обеспечить более высокий фототок по сравнению с существующими методами.

Примечательно, что при сочетании этого фотоанода с коммерческим солнечным элементом была достигнута эффективность преобразования водорода 8,7% в системе, работающей исключительно на солнечном свете без внешнего источника питания, что является самым высоким показателем, когда-либо зарегистрированным для аналогичных систем на основе оксида железа. Это означает, что очистка окружающей среды и высокоэффективное производство водорода могут быть одновременно достигнуты с использованием недорогих материалов.

«Это исследование демонстрирует, что токсичные отходы могут быть преобразованы в источник энергии с одновременным производством водорода» - сказал профессор Чо Ин Сон, добавив: «Оно имеет большое значение, поскольку представляет новое направление для достижения как очистки окружающей среды, так и производства чистой энергии в рамках одной системы».

Результаты данного исследования опубликованы 8 января в международном научном журнале «Nano-Micro Letters», специализирующемся на нано- и микроструктурных материалах.

nbgkoo@heraldcorp.com 

#южнаякорея #корея #политика #экономика #промышленность #технология #водород #гематит #химия #энергетика #экология #гидразин #утилизация #очистка #бизнес #финансы #медицина #общество #культура #искусство #азия