Простое и надежное устройство, разработанное исследователями из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL), позволит реализовать производство водородного топлива из воды по более низкой стоимости, нежели это было возможно до последнего времени. В разработанной швейцарскими исследователями технологии электролиза не используется помещаемых между электродами дорогостоящих ионных мембран, кроме этого, она обладает некоторыми другими преимуществами по сравнению с обычными технологиями электролиза.
Новая электролизная ячейка
В течение достаточно долго времени ученые бьются над задачей замены ископаемых видов топлива водородом. Поскольку водород при сгорании не выделяет ничего, кроме чистой воды, он является идеальным топливом для экологически чистого транспорта и идеальным средством для промежуточного хранения энергии, получаемой от возобновляемых источников, таких, как Солнце и ветер. Однако, производство водорода, заключающееся в расщеплении молекул воды на водород и кислород под воздействием электрической энергии, остается по-прежнему крайне дорогостоящим и не способным конкурировать с обычным топливом и другими источниками энергии.
Группа из EPFL, возглавляемая профессором Деметри Псальтисом (Demetri Psaltis), разработала технологию универсального и упрощенного процесса электролиза воды. Играя с балансом между механическими силами, электрическими силами и силами поверхностного натяжения, исследователи избавились от необходимости использования ионных мембран, которые разделяют электроды в обычных электролизных системах.
Электрический ток в электролизной ячейке течет от катода к аноду. Этот ток и воздействие катализаторов заставляют молекулы воды расщепляться на кислород и водород. Для того, чтобы воспрепятствовать смешению этих газов и образованию взрывоопасной гремучей смеси, между электродами устанавливают полимерные мембраны, проводящие ионный электрический ток и изготовленные из материала под названием нафион (Nafion). Такие мембраны сами по себе достаточно дорогостоящие, имеют ограниченный срок службы и работают в растворах с высокой кислотностью, что сужает круг используемых катализаторов.
Чтобы избавиться от ограничений, связанных с необходимостью использования ионных мембран, ученые разместили электроды на расстоянии нескольких сотен микрометров друг от друга, превратив электролизную ячейку в микропотоковое устройство. Когда жидкость в таком устройстве перемещается со скоростью, превышающей некий предел, газы, водород и кислород, выделяются в противоположных направлениях за счет эффекта Серже-Сильберберга (Segre-Silberberg effect), разделяясь безо всякой мембраны.
Такая конструкция электролизной ячейки позволит создать устройства-электролизеры, способные работать с любыми типами жидких электролитов и с любыми катализаторами, которые более не будут подвергаться риску их повреждения при работе в чрезвычайно кислой среде. Такая универсальность невозможна в обычных системах, в которых нормально работают только катализаторы на основе благородных металлов, таких как платина.
«Наше устройство обладает потенциалом для резкого увеличения эффективности по отношению к другим методам расщепления воды, в которых используются ионные мембраны» — рассказывает Мохаммад Хашеми (Mohammad Hashemi), один из исследователей, — «Кроме этого, общая эффективность расщепления воды увеличивается за счет отсутствия ионной мембраны, которая ограничивает ионную проводимость электролита и выступает в роли паразитного электрического сопротивления».
В настоящее время исследовательская группа работает, разрабатывая такую конструкции новых электролизных ячеек, которая одновременно обеспечит еще большую эффективность процесса расщепления и будет подходящей для условий массового производства.
