В Корее разработали устройство, генерирующее электричество путем поглощения парниковых газов - оксидов азота (NOx) и диоксида углерода (CO₂)
- 10 часов назад
- 5 мин. чтения
Корреспондент Чон Чжу Вон
- Устройство производит электроэнергию, поглощая парниковые газы
- Работает без аккумуляторов, ожидается сокращение выбросов углерода
Фотография обложки статьи о «газовой батарее» — устройстве для выработки электроэнергии на основе поглощения парниковых газов [Предоставлено Университетом Сонгюнгван]
Южнокорейские ученые разработали энергетическую технологию нового поколения, позволяющую вырабатывать электроэнергию путем поглощения парниковых газов.
17 апреля Университет Сонгюнгван сообщил, что исследовательская команда во главе с профессором Чан Чжи Су из факультета нанотехнологий совместно с другими группами под руководством профессоров Юн Тхэ Кван из Университета Ачжу и Ким Хан Сыль из Университета Чунбук разработала «газовую батарею» (GCEG).
Газовая батарея — это устройство, преобразующее в электричество энергию, возникающую в процессе улавливания парниковых газов из атмосферы. Его отличие заключается в том, что он не потребляет энергию на улавливание углерода, как существующие технологии, а, напротив, производит электричество.
В последнее время технологии улавливания и хранения углерода (CCUS) привлекают внимание как средство борьбы с климатическим кризисом, однако они имеют ограничение, заключающееся в необходимости большого количества электроэнергии и тепла в процессе улавливания и обработки. Исследовательская группа решила эту проблему, используя метод прямого преобразования физико-химической энергии, возникающей при адсорбции парниковых газов на поверхности электрода, в электрическую энергию.
Газовая батарея представляет собой конструкцию, в которой углеродный электрод и гидрогелевый материал объединены в асимметричную структуру. Когда оксиды азота (NOx) или диоксид углерода (CO₂) адсорбируются на устройстве, происходит перераспределение заряда и перемещение ионов, в результате чего генерируется постоянный ток без внешнего источника питания. Таким образом, загрязняющие вещества в воздухе выступают в роли «топлива» для элемента.
Рис 1. Устройство для улавливания газа и генерации электроэнергии (GCEG) и его основные характеристики. (a) Схематическое изображение устройства GCEG, имеющего асимметричную структуру с покрытием из гидрогеля PAM на одной половине бумаги из шелковичного дерева, покрытой углеродным напылением. Устройство позволяет генерировать электроэнергию и улавливать газ. (b) Адсорбционная способность гидрогеля PAM, оцененная при непрерывном воздействии NO₂ в концентрации 560 ppm. (c) Спектры инфракрасной спектроскопии с диффузным отражением in situ (DRIFTS) гидрогеля после воздействия 1000 ppm NO₂ и N₂ в течение 15 минут при комнатной температуре. (d) Временная динамика VOC устройства GCEG при непрерывном воздействии NO₂ в концентрации 30 ppm при относительной влажности (RH) 30%, а также соответствующие изменения подвижности ионов при воздействии NO₂, определенные с помощью электрохимической импедансной спектроскопии (EIS) «на месте (in situ)»
Рис 2. Результаты атомистического моделирования систем GCEG при адсорбции газовых компонентов. (a) Атомистическая модель гидратированного гидрогеля PAM. (b) Графики PDOS с разрешением по спину для молекул типа A (NO₂ и NO), типа B (CO₂) и типа C (H₂ и NH₃). Положительные и отрицательные значения указывают на величину DOS для восходящего и нисходящего электронных спинов, соответственно. На графиках светло-серая заливка, темно-серая линия и цветные линии обозначают гидрогель, воду и адсорбированные газовые частицы соответственно, а красная пунктирная и зеленая штриховая линии обозначают уровень Ферми (EF) и ближайший молекулярный пик (EP). (c) Сводка значений EP–EF для молекул типа A и типа B; более светлые и более темные столбики обозначают значения до и после гидратации гидрогеля PAM соответственно. (d) Изменение чистого числа электронов, связанных с каждой молекулой газа в системе, и (e) соответствующее ΔEF системы в условиях гидратации и адсорбции газа. (f) Схематические энергетические диаграммы генерации выходного напряжения GCEG для газов типа A (слева), типа B (в центре) и типа C (справа) с большим, умеренным и малым ΔV, соответственно
Рис. 3. Электрические характеристики GCEG. (a) Измеренные профили VOC и ISC GCEG (нагрузка 20 кОм) при воздействии 50 ppm NO₂ при относительной влажности 0 %. (b) Изменение VOC, ISC и выходной мощности при сопротивлении внешней нагрузки в диапазоне от 1 Ом до 10 МОм при воздействии 50 ppm NO₂ при относительной влажности 50 %. (c) Газовая селективность GCEG, оцененная путем сравнения максимальных значений VOC и ISC при воздействии 50 ppm различных газов при относительной влажности 0 %. (d) Зависимость выходного напряжения и тока от концентрации NO₂ (0–100 ppm) при относительной влажности 0 %. (e) Изменение выходной мощности в зависимости от концентрации NO₂ и относительной влажности. (f) Долгосрочная стабильность GCEG при циклической адсорбции–десорбции 50 ppm NO₂ при относительной влажности 30 %. (g) Напряжение и (h) ток на выходе пяти устройств GCEG, соединенных последовательно и параллельно, соответственно. (i) Увеличение выходной мощности, достигнутое путем соединения нескольких устройств GCEG в последовательной или параллельной конфигурации при воздействии 50 ppm NO₂ при относительной влажности 0 %.
Рис. 4. Электрические характеристики модифицированного GCEG при воздействии CO₂. (a) Схема модифицированного GCEG с использованием раствора амина (диэтаноламина (DEA) или моноэтаноламина (MEA)), имеющего асимметричную структуру с гидрогелевым покрытием на одной половине тутового листа с покрытием из углеродного нановолокна и покрытием из раствора амина на другой половине. (b) Профили ЛОС исходного GCEG при воздействии 30% CO₂ в воздухе с различными конфигурациями электродов. (c) Профили ЛОС модифицированного GCEG с DEA (DEA–GCEG) при воздействии 30% CO₂ в воздухе с различными конфигурациями электродов. (d) Максимальная электрическая мощность DEA–GCEG при воздействии 10% CO₂. (e) Нормализованные профили ЛОС для DEA–GCEG при различных концентрациях CO₂. (f) Сравнение ЛОС для GCEG и DEA–GCEG при воздействии 30% CO₂ и 50 ppm NO₂. (g) Сравнение ЛОС и ISC для устройств DEA–GCEG с различными активными материалами при воздействии 10% CO₂ при относительной влажности 30%.
Рис. 5. Демонстрация масштабирования и снижения расхода газа с использованием GCEG. (a) Схема установки для демонстрации масштабирования с использованием нескольких GCEG, соединенных последовательно и параллельно. (b) Фотография экспериментальной установки, демонстрирующая массив устройств для увеличения выходной мощности. (c) Изменение значений VOC, ISC и мощности при внешних сопротивлениях нагрузки от 1 Ом до 10 МОм для массива из 25 устройств. (d) Фотография установки, демонстрирующей питание устройства IoT с функцией отслеживания местоположения по Bluetooth от GCEG. (e) Блок-схема устройства IoT с функцией отслеживания местоположения по Bluetooth, питаемого от GCEG. (f) Профили зарядного напряжения при подключении к часам и датчику IoT. (g) Фотография экспериментальной установки, иллюстрирующая снижение концентрации газа за счет адсорбции на гидрогеле в GCEG. (h) Схема установки, используемой для сбора проб газа для анализа концентрации. (i) Концентрация NO₂ на выходе и скорости восстановления во времени, сравнение пустой камеры и камеры, содержащей устройства GCEG. (j) Иллюстрация GCEG в реальной сельскохозяйственной среде. (k) Моделируемая сельскохозяйственная камера, содержащая GCEG. (l) Электрическая мощность GCEG с удобрением и без него в течение 24 ч.
Эта технология может быть использована в интеллектуальных датчиках окружающей среды, работающих без отдельных аккумуляторов, в системах «интернета вещей (IoT)» с автономным энергоснабжением, а также в установках по снижению выбросов промышленных газов. В частности, она привлекает внимание как система распределенной энергетики нового поколения, поскольку позволяет одновременно осуществлять рекуперацию энергии и сокращение выбросов углерода.
«Это исследование продемонстрировало, что парниковые газы можно использовать не просто как объект для утилизации, но и как новый энергетический ресурс» - отметили профессор Чан Чжи Су, добавив: «Мы намерены развивать эту технологию не только в направлении углеродной нейтральности, но и превратить ее в экологическую технологию, производящую энергию».
Результаты данного исследования публикованы в международном научном журнале по материаловедению «Energy & Environmental Science» и выбраны в качестве статьи на обложке.
Комментарии