A hidrogént a jövő egyik legígéretesebb tiszta energiaforrásaként tartják számon.
Tisztán ég el, melléktermékként csupán víz keletkezik, és sokoldalú megoldást kínál azokban az ágazatokban, ahol az elektrifikáció nem megvalósítható – például a nehéziparban, a légiközlekedésben vagy a tengeri szállításban.
A hidrogén hosszú távú energiatárolásra is alkalmas, így kulcsfontosságú elem lehet a globális fosszilisenergia-kivezetési törekvésekben.
A tiszta és megfizethető hidrogén előállítása azonban továbbra is komoly kihívást jelent. A jelenleg előállított hidrogén túlnyomó többsége fosszilis tüzelőanyagokból származik – ezt szürke hidrogénnek nevezik –, és nagy mennyiségű szén-dioxid kibocsátásával jár.
A tisztább alternatíva, a vízbontáson alapuló elektrolízis ugyan kibocsátásmentes, de hatalmas mennyiségű elektromos energiát igényel, így sok térségben gazdaságilag nem versenyképes. Ez a kompromisszum akadályozta eddig a zöld hidrogén széleskörű elterjedését.
A tiszta és megfizethető hidrogén előállítása azonban továbbra is komoly kihívást jelent. (Fotó: Unsplash)
Most az Adelaide-i Egyetem és az ARC Szén Tudományi és Innovációs Kiválósági Központ (COE-CSI) kutatói két innovatív elektrolízises rendszert fejlesztettek ki, amelyek az emberi vizeletben és szennyvízben található karbamidot használják fel hatékonyabb hidrogéntermelésre.
Ezek a rendszerek 20–27%-kal kevesebb elektromos energiát igényelnek, mint a hagyományos vízbontás, miközben elkerülik a mérgező melléktermékek keletkezését is.
„Bár még nem oldottunk meg minden problémát, ha ezek a rendszerek ipari méretben is alkalmazhatóvá válnak, akkor a vízbontáshoz képest 20–27%-kal kevesebb energiával termelnek hidrogént, és a mérgező nitrátok és nitritek helyett ártalmatlan nitrogéngázt állítanak elő” – mondta Prof. Yao Zheng, a COE-CSI vezető kutatója.
Első kutatásuk során a csapat egy új, membránmentes rendszert alkalmazott, amely rézalapú katalizátort és tiszta karbamidot használt. Azonban a tiszta karbamidot jellemzően a Haber–Bosch-eljárással állítják elő – ez az eljárás energiaigényes és jelentős szén-dioxid-kibocsátással jár. Erre válaszul a kutatók egy második rendszert is fejlesztettek, amely valódi emberi vizeleten alapul – ez fenntarthatóbb és könnyebben hozzáférhető forrás.
„A hidrogén előállításának költségeit csökkentenünk kell, de szénsemleges módon” – mondta Zheng. „Az első tanulmányban bemutatott rendszerünk ugyan egyedülálló membránmentes technológiát és új rézalapú katalizátort használt, de tiszta karbamiddal működött, amelyet a rendkívül energiaigényes Haber–Bosch-folyamat állít elő. Ezt úgy oldottuk meg, hogy zöld forrásból származó karbamidot – emberi vizeletet – használtunk, amely a második tanulmányunk alapját képezte.”
A vizelet ígéretes karbamidforrás, de sajátos kihívásokkal jár. Kloridionokat is tartalmaz, amelyek elektrolízis során nem kívánt kémiai reakciókat indíthatnak el. Ezek a reakciók klórgáz képződéséhez vezetnek, amely korróziót okoz az anódon, és idővel károsítja a berendezést.
A vizelet ígéretes karbamidforrás, de sajátos kihívásokkal jár. (Fotó: Unsplash)
A kutatók erre válaszul egy új, klórvezérelt oxidációs mechanizmust dolgoztak ki. Az új rendszer platinán alapuló, szénre felvitt katalizátorokat alkalmaz, hogy a kloridionokat kontrollált módon, a kívánt irányba terelje.
Ez a megközelítés nemcsak az anód védelmét biztosítja, hanem fenntartja a hatékony hidrogéntermelést is a vizeletből.
A platina hatékony katalizátor, de drága és ritka. Éppen ezért a következő lépés olyan szénalapú, nemesfémmentes katalizátorok kifejlesztése, amelyek tovább csökkentik a költségeket és javítják a rendszer skálázhatóságát.
A kutatócsoport célja egy teljesen membránmentes rendszer megépítése, amely egyszerre képes zöld hidrogént előállítani és megtisztítani a nitrogénben gazdag szennyvizet.
Az InterestingEngineering-en ismertetett kutatás eredményeit az Angewandte Chemie International Edition és a Nature Communications című tudományos folyóiratok közölték.
Kiemelt kép: Unsplash
S.Rita
