Μια νέα διαδικασία υγρού μετάλλου που τροφοδοτείται από το φως θα μπορούσε να αναδιαμορφώσει τον τρόπο παραγωγής υδρογόνου.
Επιστήμονες ανακάλυψαν έναν νέο τρόπο παραγωγής καθαρού υδρογόνου από το νερό χρησιμοποιώντας υγρό μέταλλο και φως, ο οποίος λειτουργεί τόσο με γλυκό όσο και με θαλασσινό νερό.
Αντί να βασίζεται στον ηλεκτρισμό για τη διάσπαση του νερού, η διαδικασία χρησιμοποιεί το ηλιακό φως για να πυροδοτήσει μια χημική αντίδραση στην επιφάνεια μικροσκοπικών σταγονιδίων μετάλλου, απελευθερώνοντας αέριο υδρογόνο. Αυτή η δυνατότητα χρήσης θαλασσινού νερού είναι πολύ σημαντική.
Πολλές υπάρχουσες προσεγγίσεις για το πράσινο υδρογόνο αποδίδουν καλύτερα με εξαιρετικά καθαρό νερό, γεγονός που αυξάνει το κόστος και την πολυπλοκότητα, ενώ είναι δύσκολο να δικαιολογηθεί σε περιοχές με λειψυδρία.
Λειτουργώντας απευθείας με θαλασσινό νερό, η νέα μέθοδος δείχνει τον δρόμο προς μια παραγωγή υδρογόνου που θα μπορούσε να εγκατασταθεί πιο κοντά σε ακτογραμμές και βιομηχανικά λιμάνια, εκεί όπου η ζήτηση είναι υψηλή και το γλυκό νερό περιορισμένο.
«Πλέον διαθέτουμε έναν τρόπο εξόρυξης βιώσιμου υδρογόνου χρησιμοποιώντας θαλασσινό νερό, το οποίο είναι εύκολα προσβάσιμο, βασιζόμενοι αποκλειστικά στο φως για την παραγωγή πράσινου υδρογόνου», δήλωσε ο κύριος συγγραφέας και υποψήφιος διδάκτορας, Luis Campos.
Υγρά μέταλλα και κέρδη αποδοτικότητας
Ο ερευνητής, καθηγητής Kourosh Kalantar-Zadeh από τη Σχολή Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής, περιγράφει το έργο ως ένα ισχυρό παράδειγμα του πώς τα υγρά μέταλλα μπορούν φυσικά να οδηγήσουν στην παραγωγή υδρογόνου μέσω της χημείας τους. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, η ερευνητική ομάδα πέτυχε μια μέγιστη απόδοση παραγωγής υδρογόνου 12,9%.
Παρόλο που το σύστημα βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο, καταβάλλονται προσπάθειες για την περαιτέρω αύξηση των επιπέδων απόδοσης, ώστε να υποστηριχθεί η μελλοντική εμπορική χρήση. «Για την πρώτη απόδειξη της ιδέας (proof-of-concept), θεωρούμε την απόδοση αυτής της τεχνολογίας εξαιρετικά ανταγωνιστική. Για παράδειγμα, τα ηλιακά κύτταρα με βάση το πυρίτιο ξεκίνησαν με 6% τη δεκαετία του 1950 και δεν ξεπέρασαν το 10% μέχρι τη δεκαετία του 1990».
«Το υδρογόνο προσφέρει μια λύση καθαρής ενέργειας για ένα βιώσιμο μέλλον και θα μπορούσε να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στο διεθνές πλεονέκτημα της Αυστραλίας σε μια οικονομία υδρογόνου», δηλώνει ο συνεπικεφαλής του έργου, Δρ. Francois Allioux.
Πώς συμπεριφέρεται το γάλλιο
Το γάλλιο ξεχώρισε λόγω της ικανότητάς του να απορροφά το φως. Αυτή η ιδιότητα οδήγησε τους ερευνητές να εξετάσουν πώς συμπεριφέρεται το γάλλιο όταν διασπείρεται στο νερό και εκτίθεται στο ηλιακό φως.
Αυτή η έρευνα κατέληξε σε ένα σύστημα που βασίζεται σε μια κυκλική χημική διαδικασία.
Μικροσκοπικά σωματίδια γαλλίου αιωρούνται είτε σε γλυκό είτε σε θαλασσινό νερό και ενεργοποιούνται από το ηλιακό φως ή από τεχνητό φωτισμό. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το γάλλιο αντιδρά με το νερό για να σχηματίσει οξυ-υδροξείδιο του γαλλίου, απελευθερώνοντας παράλληλα αέριο υδρογόνο. «Αφού εξαγάγουμε το υδρογόνο, το οξυ-υδροξείδιο του γαλλίου μπορεί επίσης να αναχθεί ξανά σε γάλλιο και να επαναχρησιμοποιηθεί για μελλοντική παραγωγή υδρογόνου – αυτό που ονομάζουμε κυκλική διαδικασία», λέει ο Καθηγητής Kalantar-Zadeh.
Μια απλή αντίδραση με μεγάλες προεκτάσεις
Το υγρό γάλλιο παρουσιάζει ασυνήθιστα φυσικά χαρακτηριστικά. Παρόλο που φαίνεται στερεό σε θερμοκρασία δωματίου, η θέρμανσή του περίπου στη θερμοκρασία του σώματος το κάνει να λιώνει, σχηματίζοντας αντανακλαστικές λίμνες υγρού μετάλλου.
Ο κ. Campos εξήγησε ότι το υγρό γάλλιο διαθέτει συνήθως μια χημικά «μη κολλώδη» επιφάνεια, πράγμα που σημαίνει ότι άλλα υλικά δεν προσκολλώνται εύκολα σε αυτήν υπό κανονικές συνθήκες. Ωστόσο, όταν το μέταλλο εκτίθεται στο φως ενώ είναι βυθισμένο στο νερό, συμβαίνουν αντιδράσεις στην επιφάνειά του. Υπό αυτές τις συνθήκες φωτισμού, το γάλλιο οξειδώνεται αργά και διαβρώνεται.
Αυτή η επιφανειακή αντίδραση οδηγεί στην απελευθέρωση καθαρού αερίου υδρογόνου και στον σχηματισμό οξυ-υδροξειδίου του γαλλίου, στοιχεία που είναι και τα δύο κεντρικής σημασίας για τη διαδικασία παραγωγής υδρογόνου.
«Το γάλλιο δεν είχε διερευνηθεί στο παρελθόν ως τρόπος παραγωγής υδρογόνου με υψηλούς ρυθμούς όταν έρχεται σε επαφή με το νερό – μια τόσο απλή παρατήρηση που αγνοήθηκε προηγουμένως», λέει ο Καθηγητής Kalantar-Zadeh. Η έρευνα, με επικεφαλής από το Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ, δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications.
Γιατί οι επιστήμονες ενδιαφέρονται τόσο πολύ για τα μόρια υδρογόνου
Πολλές βιομηχανίες και επιστήμονες πιστεύουν ότι το υδρογόνο είναι ο ιδανικός υποψήφιος για μια βιώσιμη πηγή ενέργειας, συμβάλλοντας σημαντικά στη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Το «πράσινο» υδρογόνο, όπως υποδηλώνει το όνομά του, παράγεται με τη χρήση ανανεώσιμων πηγών.
Το υδρογόνο είναι ένα από τα πιο άφθονα στοιχεία στη Γη και μπορεί επίσης να προέλθει από ένα ευρύ φάσμα ενώσεων, όπως το νερό (το νερό έχει δύο μόρια υδρογόνου). Όταν το υδρογόνο καίγεται, δεν παράγει ρύπους, παρά μόνο νερό, ενώ εξακολουθεί να παράγει υψηλά επίπεδα ενέργειας ή ισχύος.
Οι προσπάθειες για την παραγωγή πράσινου υδρογόνου έχουν επικεντρωθεί στη «διάσπαση του νερού»: Τον διαχωρισμό των ατόμων στα μόρια του νερού για την απελευθέρωση υδρογόνου, χρησιμοποιώντας μεθόδους που περιλαμβάνουν την ηλεκτρόλυση, τη φωτοκατάλυση και το πλάσμα (τεχνητός κεραυνός).
Όμως, η διαδικασία που απαιτείται για τον διαχωρισμό των ατόμων υδρογόνου και οξυγόνου στο νερό έχει αντιμετωπίσει πολλαπλά εμπόδια, συμπεριλαμβανομένης της ανάγκης για χρήση καθαρισμένου νερού, κάτι που συνεπάγεται υψηλό κόστος ή παραγωγή χαμηλών αποδόσεων υδρογόνου.
Η μέθοδος που εισήγαγε η ομάδα του Καθηγητή Kalantar-Zadeh με το υγρό γάλλιο παρακάμπτει πολλά από αυτά τα εμπόδια. Η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιήσει τόσο θαλασσινό όσο και γλυκό νερό και, επειδή η διαδικασία είναι κυκλική, το γάλλιο στην αντίδραση μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί.
Ο Καθηγητής Kalantar-Zadeh δήλωσε: «Υπάρχει μια παγκόσμια ανάγκη για την εμπορευματοποίηση μιας εξαιρετικά αποδοτικής μεθόδου παραγωγής πράσινου υδρογόνου. Η διαδικασία μας είναι αποτελεσματική και εύκολη στην κλιμάκωση».
Η ομάδα εργάζεται τώρα για την αύξηση της αποδοτικότητας της τεχνολογίας και ο επόμενος στόχος της είναι η δημιουργία ενός αντιδραστήρα μεσαίας κλίμακας για την εξαγωγή υδρογόνου.