Добычу «зеленого» водорода ускорили в шесть раз

Внутри реактора идет стандартный электролиз – под действием электротока молекулы воды расщепляются на водород и кислород, сообщила пресс-служба ИТМО. Собранный в лаборатории полупромышленный прототип реактора готов к проведению тестов на реальном производстве. 

Водород используют в химической, нефтеперерабатывающей, стекольной и пищевой промышленности, 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 — это эффективный альтернативный источник энергии. В промышленных масштабах водород обычно получают путем нагревания метана и паров воды до 700–1000 °C. Однако в результате этой химической реакции образуется не только водород, но и углекислый газ.

Более экологичный способ добычи водорода — электролиз воды. Под действием электрического тока вода расщепляется на безопасные для окружающей среды водород и кислород, поэтому такой водород называют «зеленым». Но главный недостаток этого метода для промышленности — высокая стоимость.

Ученые ИТМО спроектировали новый тип реакторов для электролиза воды, который позволяет ускорить и удешевить этот процесс. Они модифицировали реактор магнитами и нанесли на его электроды специальные наночастицы железа-кобальта. Это привело к ускорению реакций электролиза в шесть раз. Кроме того, на 15% снизился объем потребляемой энергии: для производства одного килограмма водорода в таком электролизере требуется не 57.3 кВтч электричества, а 48.8.

Основной механизм работы реактора остался тем же. 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 молекулы водорода и кислорода. Первые формируются на электроде с отрицательным зарядом — катоде, а вторые с положительным — на аноде.

«С помощью магнитов и магнитных наночастиц мы добиваемся появления еще двух эффектов — спиновой поляризации и гидродинамического эффекта. Магнитные наночастицы воздействуют на электронное состояние промежуточных соединений воды так, что они быстрее и эффективнее вступают в реакции. За счёт 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. Также совместное воздействие магнитного и электрического полей приводит к возникновению гидродинамических эффектов. Грубо говоря, молекулы в растворе сами перемешиваются под действием сил Лоренца и Кельвина. В стандартных реакторах это делают “вручную”. Это необходимо, чтобы интенсифицировать отделение продуктов реакции и подвод реагентов к электродам», — отметил аспирант химико-биологического кластера, младший научный сотрудник Передовой инженерной школы ИТМО Илья Шабалкин.

Все реакции ученые наблюдали в ходе экспериментов на собранном в лаборатории ИТМО полупромышленном прототипе реактора. Химики сами синтезировали наночастицы и печатали полимерные детали для корпуса реактора на 3D-принтере, подбирая максимально эффективный дизайн. Их установка готова к этапу масштабирования. Сейчас в планах ученых — найти промышленных партнеров и протестировать реактор на реальном производстве.

Исследование поддержано программой «Приоритет 2030». Результаты опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.