Новый метод электролиза обещает более дешевый чистый водород

На фоне усугубления климатических изменений и загрязнения окружающей среды все больше внимания привлекают технологии производства чистого водорода, в частности, электролиз воды. Этот метод считается многообещающей технологией, способной производить водород без выбросов углекислого газа (CO2). Однако основной проблемой остается снижение энергетической эффективности из-за высокого рабочего напряжения, необходимого для процесса.

Глобальные выбросы CO2 от ископаемого топлива, по данным Global Carbon Project, должны были достичь 37,4 миллиарда тонн в 2024 году, что на 0,8% больше по сравнению с предыдущим годом. Эта тенденция противоречит глобальным усилиям по переходу к углеродно-нейтральному обществу и подчеркивает острую необходимость сокращения потребления ископаемого топлива и разработки альтернативных чистых энергетических технологий. Несмотря на международные инициативы, выбросы CO2 продолжают расти.

В условиях растущего спроса на чистую энергию водород, при сгорании которого не выделяется CO2, становится перспективным энергоресурсом. Он обладает высокой плотностью энергии, значительно превосходящей традиционные твердые виды топлива. Кроме того, водород играет ключевую роль в решении проблем непостоянства возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая генерация. Преобразуя избыточную электроэнергию в водород и сохраняя его, можно эффективно решать задачи хранения и транспортировки энергии. Для полной реализации этого потенциала крайне важно производить водород экологически чистым способом, без выбросов углерода.

Перспективным решением становится химический электролиз воды. Эта технология позволяет производить водород при низком напряжении, заменяя стандартную реакцию окисления воды различными химическими реакциями окисления, например, с использованием аммиака, спирта, мочевины или гидразина. Более того, она открывает возможность одновременно повышать производство энергии и улучшать состояние окружающей среды за счет получения ценных побочных продуктов или утилизации загрязняющих веществ.

Группа исследователей представила различные системы химического электролиза воды и систематически проанализировала новейшие стратегии разработки катализаторов для решения проблемы высокого перенапряжения, характерной для каждой из этих реакций. Профессор Хо Вон Чан из Seoul National University объясняет, что технология химического электролиза воды представляет собой инновационный подход к преодолению ограничений традиционного электролиза, позволяя производить чистый водород с повышенной энергоэффективностью. Он добавляет, что данное исследование систематически обобщает новейшие стратегии разработки катализаторов и демонстрирует их потенциал для повышения энергетической эффективности различных реакций химического электролиза воды.

Тем не менее, остается много технических проблем, прежде чем химический электролиз сможет заменить традиционные методы. Ключевые вопросы включают обеспечение долговечности катализаторов и достижение работы при низком напряжении. Эти проблемы активно решаются с помощью изучения механизмов электрохимических реакций и разработки катализаторов с использованием искусственного интеллекта AI. Для промышленного применения требуются высокая плотность тока и длительная стабильность работы (более 10 000 часов). В последнее время исследователи работают над созданием мембранно-электродных блоков MEA, представляющих собой прямую сборку анода, мембраны и катода, чтобы снизить электрическое сопротивление и потери при массопереносе, достигая при этом высокой плотности тока. Также разрабатываются устройства топливного типа, работающие при высоких температурах для повышения производительности, и предпринимаются усилия по созданию автономных систем производства водорода.

По мере развития этих направлений химический электролиз воды может стать ключевой технологией в переходе к устойчивым и чистым энергетическим решениям. Профессор Чан заключает, что главная цель обзора – оперативно и точно ознакомить читателей с последними тенденциями исследований и стратегиями разработки катализаторов в этой области, а также наметить комплексный план для промышленного применения.