Австралійські науковці розробили технологію перетворення сечі на водневе паливо

Науковці з Університету Аделаїди здійснили важливий прорив у виробництві екологічно чистого водню, розробивши інноваційну технологію перетворення звичайної людської сечі на водневе паливо. Новий метод дозволяє суттєво знизити енергетичні витрати порівняно з традиційними способами отримання водню.

Дослідницька група створила дві революційні системи електролізу, які використовують сечовину, що міститься в сечі, для виробництва водню. Ця технологія знижує споживання електроенергії на 27% порівняно з виробництвом водню з води. Такий підхід не лише робить зелений водень економічно конкурентоспроможним з альтернативами на основі викопного палива, але й пропонує ефективне рішення для очищення стічних вод.

Професор Ші-Чжан Цяо, заступник директора та головний дослідник Центру передового досвіду вуглецевої науки та інновацій Австралійської дослідницької ради, пояснює: «У першій системі ми розробили інноваційну та високоефективну безмембранну систему електролізу сечовини для виробництва водню з низькою собівартістю. У другій системі ми розробили новий механізм окислення з хлорним посередництвом, який використовує каталізатори на основі платини на вуглецевих носіях для отримання водню з сечі».

Дослідження, опубліковані в Nature Communications та Angewandte Chemie International Edition, демонструють, що молекули сечовини потребують значно меншої напруги для розщеплення порівняно з молекулами води. Якщо для електролізу води потрібно 1,23 В для запуску реакції, сечовину можна розщепити при напрузі лише 0,37 В, що забезпечує суттєву економію енергії.

Команда розробила два різні підходи до електролізу сечі. Перша система має безмембранну конструкцію, що дозволяє уникнути потреби в дорогих компонентах розділення. Друга система використовує хімічний процес, де хлоридні іони, природно присутні в сечі, служать посередниками реакції.

Система на основі платини досягає споживання електроенергії всього 4,05 кВт·год на кубічний метр водню, перевершуючи традиційний електроліз води (4,70−5,00 кВт·год). Новаторська система з каталізатором на основі міді ефективно перетворює сечовину на чистий азот, не утворюючи шкідливих нітратів або нітритів. Обидві системи демонструють виняткову стабільність, причому платинова система працює безперервно понад 200 годин. Інноваційний процес з хлорним посередництвом досягає ефективності утворення азоту до 73,1%, усуваючи шкідливі побічні продукти.

На відміну від попередніх спроб електролізу сечовини, які часто покладалися на дорогу чисту сечовину, системи з Аделаїди працюють безпосередньо з необробленою людською сечею, усуваючи потребу в дорогих реагентах. Більше того, цей процес ефективно перетворює відходи сечовини на безпечний азот, одночасно виробляючи водень високої чистоти.

Фінансові наслідки цього прориву можуть змінити ландшафт зеленого водню. Розрахунки дослідників показують, що водень, вироблений за допомогою їхньої системи, коштує менше, ніж традиційно видобутий «сірий» водень з викопного палива. Безмембранна система електролізу з використанням каталізатора на основі міді знижує витрати на виробництво водню приблизно до 1,81 долара США за кілограм — нижче технічного цільового показника Міністерства енергетики США на 2030 рік у 2,00−2,50 долара за кілограм.

Технологія все ще стикається з певними викликами на шляху від концепції до комерційного застосування. Хоча система на основі платини демонструє відмінні показники, платина залишається дорогоцінним металом. Для вирішення цього обмеження дослідницька команда зараз розробляє альтернативи без використання дорогоцінних металів.

Дослідницька група пояснює: «Команда Університету Аделаїди розвиватиме це фундаментальне дослідження, розробляючи каталізатори на основі недорогоцінних металів на вуглецевих носіях для створення безмембранних систем очищення стічних вод із сечею, досягаючи більш економічного отримання зеленого водню при одночасному очищенні стічних вод».

Майбутнє впровадження цієї технології могло б потенційно інтегруватися з існуючими очисними спорудами або бути включеним у спеціалізовані системи збору. Це відкриває цікаву можливість створення децентралізованої інфраструктури виробництва водню, пов'язаної з потоками відходів.

Для того щоб водень реалізував свій потенціал у чистому енергетичному майбутньому, витрати на виробництво повинні суттєво знизитися. Цей прорив демонструє, що креативне мислення щодо сировини та процесів може забезпечити значні покращення ефективності, потенційно прискорюючи перехід до відновлюваних енергетичних систем при одночасному вирішенні екологічних проблем.