Hệ thống cải tiến mới có thể biến nước biển thành nhiên liệu
Bởi SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY ngày 30 tháng 5 năm 2023
Một đại diện của hệ thống màng lưỡng cực của nhóm chuyển đổi nước biển thành khí hydro. Tín dụng: Nina Fujikawa/Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC
Hỗn hợp các nguyên tố trong nước biển, bao gồm hydro, oxy, natri và các nguyên tố khác, rất cần thiết cho sự sống trên Trái đất. Tuy nhiên, thành phần hóa học phức tạp này đặt ra một thách thức khi cố gắng tách khí hydro cho các ứng dụng năng lượng bền vững.
Gần đây, một nhóm các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng, Đại học Stanford, Đại học Oregon và Đại học Manchester Metropolitan đã phát hiện ra một phương pháp chiết xuất hydro từ đại dương. Họ thực hiện điều này bằng cách dẫn nước biển qua hệ thống màng kép và điện.
Thiết kế sáng tạo của họ đã chứng tỏ thành công trong việc tạo ra khí hydro mà không tạo ra một lượng lớn sản phẩm phụ có hại. Kết quả nghiên cứu của họ, được công bố gần đây trên tạp chí Joule, có thể giúp thúc đẩy nỗ lực sản xuất nhiên liệu có hàm lượng carbon thấp.
“Nhiều hệ thống nước thành hydro ngày nay cố gắng sử dụng màng đơn lớp hoặc màng đơn lớp. Nghiên cứu của chúng tôi đã kết hợp hai lớp lại với nhau,” Adam Nielander, một nhà khoa học cộng tác viên của Trung tâm Khoa học Giao diện và Xúc tác SUNCAT, một viện liên kết SLAC-Stanford, cho biết. “Những cấu trúc màng này cho phép chúng tôi kiểm soát cách các ion trong nước biển di chuyển trong thí nghiệm của chúng tôi.”
Khí hydro là nhiên liệu có hàm lượng carbon thấp hiện đang được sử dụng theo nhiều cách, chẳng hạn như để chạy các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu và như một tùy chọn lưu trữ năng lượng trong thời gian dài – một tùy chọn phù hợp để lưu trữ năng lượng trong nhiều tuần, nhiều tháng hoặc lâu hơn – cho điện lưới.
Nhiều nỗ lực để tạo ra khí hydro bắt đầu bằng nước sạch hoặc nước khử muối, nhưng những phương pháp đó có thể tốn kém và tốn nhiều năng lượng. Nước đã qua xử lý dễ xử lý hơn vì nó có ít thứ hơn – các nguyên tố hóa học hoặc phân tử – trôi nổi xung quanh. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết, việc lọc nước rất tốn kém, đòi hỏi năng lượng và tăng thêm độ phức tạp cho các thiết bị. Họ cho biết một lựa chọn khác, nước ngọt tự nhiên, cũng chứa một số tạp chất gây khó khăn cho công nghệ hiện đại, ngoài việc là nguồn tài nguyên hạn chế hơn trên hành tinh.
Để làm việc với nước biển, nhóm đã triển khai một hệ thống màng lưỡng cực hoặc hai lớp và thử nghiệm nó bằng cách sử dụng điện phân, một phương pháp sử dụng điện để điều khiển các ion hoặc các nguyên tố tích điện để thực hiện phản ứng mong muốn. Joseph Perryman, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của SLAC và Stanford, cho biết họ bắt đầu thiết kế của mình bằng cách kiểm soát nguyên tố có hại nhất đối với hệ thống nước biển – clorua.
Perryman cho biết: “Có nhiều loài phản ứng trong nước biển có thể cản trở phản ứng nước thành hydro và natri clorua làm cho nước biển mặn là một trong những thủ phạm chính. “Đặc biệt, clorua đi đến cực dương và bị oxy hóa sẽ làm giảm tuổi thọ của hệ thống điện phân và thực sự có thể trở nên không an toàn do tính chất độc hại của các sản phẩm oxy hóa bao gồm phân tử clo và thuốc tẩy.”
Màng lưỡng cực trong thí nghiệm cho phép tiếp cận các điều kiện cần thiết để tạo ra khí hydro và giảm thiểu clorua đi đến trung tâm phản ứng.
Perryman nói: “Về cơ bản, chúng tôi đang tăng gấp đôi số cách để ngăn chặn phản ứng clorua này.
Một ngôi nhà cho hydro
Hệ thống màng lý tưởng sẽ thực hiện ba chức năng chính: tách khí hydro và oxy khỏi nước biển; giúp di chuyển chỉ các ion hydro và hydroxit hữu ích trong khi hạn chế các ion nước biển khác; và giúp ngăn ngừa các phản ứng không mong muốn. Nắm bắt cả ba nhu cầu này cùng nhau là một việc khó và nghiên cứu của nhóm hướng tới việc khám phá các hệ thống có thể kết hợp hiệu quả cả ba nhu cầu này.
Cụ thể trong thí nghiệm của họ, các proton, là các ion hydro dương, đi qua một trong các lớp màng đến nơi chúng có thể được thu thập và biến thành khí hydro bằng cách tương tác với một điện cực tích điện âm. Màng thứ hai trong hệ thống chỉ cho phép các ion âm, chẳng hạn như clorua, đi qua.
Như một điểm dừng bổ sung, một lớp màng chứa các nhóm tích điện âm được cố định vào màng, khiến các ion tích điện âm khác, như clorua, khó di chuyển đến những nơi mà chúng không nên đến, Daniela Marin, sinh viên tốt nghiệp Stanford cho biết. sinh viên ngành kỹ thuật hóa học và đồng tác giả. Màng tích điện âm tỏ ra có hiệu quả cao trong việc ngăn chặn gần như tất cả các ion clorua trong các thí nghiệm của nhóm và hệ thống của họ hoạt động mà không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại như thuốc tẩy và clo.
Các nhà nghiên cứu cho biết, cùng với việc thiết kế một hệ thống màng nước biển thành hydro, nghiên cứu cũng cung cấp hiểu biết chung tốt hơn về cách các ion nước biển di chuyển qua màng. Kiến thức này có thể giúp các nhà khoa học thiết kế màng mạnh hơn cho các ứng dụng khác, chẳng hạn như sản xuất khí oxy.
“Cũng có một số quan tâm đến việc sử dụng điện phân để sản xuất oxy,
Marin nói. “Hiểu biết về dòng ion và chuyển đổi trong hệ thống màng lưỡng cực của chúng tôi cũng rất quan trọng đối với nỗ lực này. Cùng với việc tạo ra hydro trong thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi cũng chỉ ra cách sử dụng màng lưỡng cực để tạo ra khí oxy.”
Tiếp theo, nhóm lên kế hoạch cải thiện các điện cực và màng của chúng bằng cách chế tạo chúng bằng các vật liệu phong phú và dễ khai thác hơn. Nhóm nghiên cứu cho biết cải tiến thiết kế này có thể làm cho hệ thống điện phân dễ dàng mở rộng quy mô đến kích thước cần thiết để tạo ra hydro cho các hoạt động sử dụng nhiều năng lượng, như lĩnh vực giao thông vận tải.
Các nhà nghiên cứu cũng hy vọng sẽ đưa các tế bào điện phân của họ đến Nguồn sáng bức xạ synchrotron Stanford (SSRL) của SLAC, nơi họ có thể nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của chất xúc tác và màng bằng cách sử dụng tia X cực mạnh của cơ sở.
Thomas Jaramillo, giáo sư tại SLAC và Stanford và giám đốc của SUNCAT cho biết: “Tương lai tươi sáng cho các công nghệ hydro xanh. “Những hiểu biết cơ bản mà chúng tôi thu được là chìa khóa để thông báo những đổi mới trong tương lai nhằm cải thiện hiệu suất, độ bền và khả năng mở rộng của công nghệ này.”
Tham khảo: “Sản xuất hydro bằng máy điện phân màng lưỡng cực đàn hồi bằng nước biển” của Daniela H. Marin, Joseph T. Perryman, McKenzie A. Hubert, Grace A. Lindquist, Lihaokun Chen, Ashton M. Aleman, Gaurav A. Kamat, Valerie A. Niemann, Michaela Burke Stevens, Yagya N. Regmi, Shannon W. Boettcher, Adam C. Nielander và Thomas F. Jaramillo, ngày 11 tháng 4 năm 2023, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2023.03.005
Dự án này được hỗ trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ; Máy gia tốc bền vững của Trường Doerr Stanford; Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản, Khoa học Hóa học, Khoa học Địa chất và Khoa học Sinh học của DOE thông qua Trung tâm Khoa học Giao diện và Xúc tác SUNCAT, một viện liên kết SLAC-Stanford; và Văn phòng Công nghệ tế bào nhiên liệu năng lượng tái tạo và hiệu quả năng lượng của DOE.
