Специалисты ИТМО разработали принципиально новый тип реакторов, предназначенных для ускоренной и экономически выгодной добычи «зеленого» водорода. Предложенная ими технология позволяет с использованием магнитов и наночастиц увеличить скорость разложения воды на водород и кислород в шесть раз, одновременно снижая энергопотребление на 15%. Полупромышленный прототип реактора, созданный в лабораторных условиях, готов к испытаниям на действующем предприятии. Результаты исследования были опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.
Водород находит применение в химической, нефтеперерабатывающей, стекольной и пищевой отраслях, а также в металлургии и на атомных электростанциях. Он является важным компонентом в производстве аммиака, метанола, различных металлов и твердого жира, используемого в производстве маргарина и мыла. Помимо этого, водород представляет собой перспективный альтернативный источник энергии. В промышленности водород чаще всего получают путем нагревания метана и водяного пара при температуре 700–1000 °C. Однако в ходе этой химической реакции образуется не только водород, но и углекислый газ.
Электролиз воды представляет собой более экологичный способ получения водорода. В процессе электролиза под воздействием электрического тока вода разделяется на водород и кислород, которые не оказывают вредного воздействия на окружающую среду, благодаря чему водород, полученный таким способом, называют «зеленым». Однако, для промышленного применения этот метод имеет существенный недостаток – высокую стоимость.
Новый тип реакторов для электролиза воды разработан учеными ИТМО, что позволяет значительно ускорить и удешевить этот процесс. Для этого исследователи изменили конструкцию реактора, добавив магниты и покрыв электроды наночастицами железа-кобальта. Благодаря таким изменениям скорость электролиза увеличилась в шесть раз. Также удалось снизить энергопотребление на 15%: для получения одного килограмма водорода в новом электролизере требуется 48.8 кВтч электричества, в то время как в предыдущих моделях — 57.3.
Принцип действия реактора не изменился: в отсек заливают щелочной раствор, затем в него опускают два электрода, к которым подается электрическое напряжение. Под воздействием электрического тока молекулы воды распадаются на водород и кислород, замыкая электрическую цепь в растворе. Водород выделяется на электроде с отрицательным зарядом (катоде), а кислород – на электроде с положительным зарядом (аноде.
«Использование магнитов и магнитных наночастиц позволяет добиться спиновой поляризации и гидродинамического эффекта. Магнитные наночастицы влияют на электронное состояние промежуточных соединений воды, ускоряя и повышая эффективность реакций. Это приводит к снижению энергозатрат на активацию этих процессов. Подобные механизмы присутствуют и в обычных реакторах, однако их эффективность значительно ниже и обусловлена исключительно воздействием электрического тока. Кроме того, одновременное воздействие магнитных и электрических полей вызывает гидродинамические эффекты, приводя к самоперемешиванию молекул в растворе под действием сил Лоренца и Кельвина. В традиционных реакторах эта функция выполняется вручную, что требуется для интенсификации отделения продуктов реакции и обеспечения подвода реагентов к электродам », — подчеркивает аспирант химико-биологического кластера, младший научный сотрудник Передовой инженерной школы ИТМО Илья Шабалкин.
Наблюдения за всеми реакциями ученые проводили в процессе экспериментов, выполненных на полупромышленном прототипе реактора, созданном в лаборатории ИТМО. Специалисты самостоятельно синтезировали наночастицы и изготавливали полимерные компоненты корпуса реактора с использованием 3D-печати, оптимизируя конструкцию для достижения максимальной эффективности. Разработанная установка готова к переходу к этапу масштабирования. В настоящее время ученые планируют найти промышленные компании для сотрудничества и провести испытания реактора в условиях реального производства.
Исследование поддержано программой «Приоритет 2030».