.jpg)
Ученые из университета ИТМО спроектировали новый тип реакторов для более быстрой и дешевой добычи "зеленого" водорода. Они разработали метод, который позволяет с помощью магнитов и наночастиц в шесть раз ускорить процесс разложения воды на водород и кислород и сократить потребление энергии на 15%. Собранный в лаборатории полупромышленный прототип реактора готов к проведению тестов на реальном производстве.
Основной механизм работы реактора остался таким же, как и в классических вариантах оборудования. В отсек для жидкости заливают щелочь, опускают туда два электрода и подают на них электрическое напряжение. В растворе электрическая цепь замыкается, и под действием электрического тока молекулы воды распадаются на водород и кислород.
Магнитные наночастицы воздействуют на электронное состояние промежуточных соединений воды так, что они быстрее и эффективнее вступают в реакции. За счет этого снижается количество энергии, потребляемой на активацию этих процессов. В обычных реакторах эти механизмы тоже наблюдаются, но они протекают со значительно меньшей эффективностью и исключительно за счет электрического тока.
Водород используют в химической, нефтеперерабатывающей, стекольной и пищевой отраслях промышленности, в металлургии и даже на атомных электростанциях. Он необходим для производства аммиака, метанола, разных металлов и твердого жира, который входит в состав маргарина и мыла. Кроме того, водород является эффективным альтернативным источником энергии. В промышленных масштабах его обычно получают путем нагревания метана и паров воды до 700-1000 oC. Однако в результате этой химической реакции образуется не только водород, но и углекислый газ.
Экологически чистым способом добычи водорода выступает электролиз воды. Под действием электрического тока вода расщепляется на безопасные для окружающей среды водород и кислород, поэтому такой водород называют "зеленым". Но главным недостатком этого метода для промышленности остается высокая стоимость.
Все реакции ученые наблюдали в ходе экспериментов на собранном в лаборатории полупромышленном прототипе реактора. Они сами синтезировали наночастицы и печатали полимерные детали для корпуса реактора на 3D-принтере, подбирая максимально эффективный дизайн. Установка готова к этапу масштабирования. Ученые планируют найти промышленных партнеров и протестировать реактор на реальном производстве.
Применяемые магниты и катализаторы позволяют ускорить процесс получения водорода со снижением энергетических затрат при электролизе. Так как электролиз воды на сегодня считается самым дорогим именно из-за высоких энергетических затрат при производстве водорода, их снижение на 15% представляет собой впечатляющее достижение.
Потенциально разработка может быть полезна для практической реализации, однако могут возникнуть технические сложности с интеграцией магнитной системы в промышленные электролизные модули.
Данный проект был направлен на повышение эффективности электролиза воды, где в обычную электролизную ячейку интегрированы магниты или электромагниты.
Работ, посвященных исследованию влияния магнитного поля на эффективность электролиза, достаточно много, а такие реакторы могут быть перспективны сразу по нескольким причинам. Во-первых, они были напечатаны на 3D-принтере, что делает их доступными для множества вариантов исполнения и легко заменимыми. Во-вторых, добавление магнитов представляет собой дешевое, простое и элегантное решение. Электрокаталитические свойства наночастиц железа-кобальта в расщеплении воды уже известны, но влияние магнитного поля на их активность было изучено впервые. В-третьих, конструкция реактора улучшает массообмен и снижает необходимость использования дополнительных перемешивающих устройств, что повышает надежность.
