Naukowcy opracowali dwa unikalne energooszczędne i opłacalne systemy, które wykorzystują mocz w moczu i ściekach do generowania wodoru.
Unikalne systemy ujawniają nowe ścieżki ekonomicznie generowania „zielonego” wodoru, zrównoważonego i odnawialnego źródła energii oraz potencjału naprawy odpadów azotowych w środowiskach wodnych.
Zazwyczaj wodór jest wytwarzany poprzez zastosowanie elektrolizy do podziału wody na tlen i wodór. Jest to obiecująca technologia, która pomaga rozwiązać globalny kryzys energetyczny, ale proces ten jest energooszczędny, co czyni go produkowanym kosztem w porównaniu z wydobywaniem wodoru z paliw kopalnych (szary wodór), sam w sobie niepożądany proces z powodu generowanej emisji węgla.
W przeciwieństwie do wody, układ elektrolizy, który wytwarza wodór z mocznika, wykorzystuje znacznie mniej energii.
Pomimo tej korzyści, istniejące systemy oparte na moczniku napotykają kilka ograniczeń, takich jak małe ilości wodoru, które można ekstrahować, oraz wytwarzanie niepożądanych azotowych produktów ubocznych (azotany i azotany), które są toksyczne i konkurują z produkcją wodoru, co dodatkowo zmniejszając ogólną wydajność systemu.
Naukowcy z Australian Research Council Center of Excellence for Carbon Science and Innovation (COE-CSI) i University of Adelaide opracowali dwa systemy elektrolizy oparte na moczniku, które przezwyciężają te problemy i mogą generować zielony wodór kosztem, który obliczył, jest porównywalny lub tańszy niż koszt wytwarzania szarego wodoru.
Badania dla każdego systemu zostały opublikowane w osobnych artykułach, jeden w czasopiśmie Angewandte Chemie International Edition, The Other Nature Communications. Doktorant Xintong Gao był pierwszym autorem w dokumencie Angewandte Chemie Międzynarodowym Edycji i pochodzi z zespołu uniwersytetu kierowanego przez głównego śledczego COE-CSI, profesora Yao Zhenga i profesora Shizhang Qiao, zastępcy dyrektora i głównego śledczego Coe-CSI, którzy pochodzą ze szkoły inżynierii chemicznej.
Wykonanie wodoru z czystego mocznika nie jest nowe, ale zespół znalazł bardziej dostępny i opłacalny proces, który wykorzystuje mocz jako alternatywne źródło dla czystego mocznika.
„Chociaż nie rozwiązaliśmy wszystkich problemów, jeśli systemy te zostaną skalowane, nasze systemy wytwarzają nieszkodliwy gaz azotowy zamiast toksycznych azotanów i azotynów, a każdy system zużyje między 20-27 procent mniej energii elektrycznej niż systemy podziału wody”, mówi profesor Zheng.
„Musimy obniżyć koszty wytwarzania wodoru, ale w sposób neutralny pod węglem. System w naszym pierwszym artykule, przy użyciu unikalnego układu bez błony i nowatorskiego katalizatora na bazie miedzi, użył czystego mocznika, który jest wytwarzany przez proces syntezy amoniaku Haber-Bosch, który jest energooszczędny i uwalnia wiele CO2.
„Rozwiązaliśmy to za pomocą zielonego źródła mocznika – ludzkiego moczu – co jest podstawą systemu zbadanego w naszym drugim artykule”.
Mocz lub mocznik mogą być również pozyskiwane z ścieków i innych ścieków wysoko w odpadach azotowych. Jednak mocz w układzie elektro-katalitycznym przedstawia inny problem. Jony chlorkowe w moczu spowodują reakcję generującą chlor, który powoduje nieodwracalną korozję anody układu, w której występuje utlenianie i utrata elektronów.
„W pierwszym systemie opracowaliśmy innowacyjny i wysoce wydajny system elektrolizy mocznika wolnego od błony do taniej produkcji wodoru. W tym drugim systemie opracowaliśmy nowy mechanizm utleniania za pośrednictwem chloru, który stosował katalizatory na bazie platyny na podporach węgla do generowania wodoru z moczu”, mówi profesor Qiao.
Platinum jest drogim, cennym i skończonym metalem, a jego rosnące zapotrzebowanie, ponieważ materiał katalityczny jest niezrównoważony. Jest to podstawowa misja Centrum Doskonałości ARC dla nauki i innowacji węglowych, aby umożliwić transformacyjne technologie katalizatora węgla dla tradycyjnych przemysłu energetycznego i chemicznego.
Zespół University of Adelaide będzie korzystał z tych podstawowych badań, opracowując katalizatory metali nieuprawnych, bez prognozowania do budowy systemów-marnowastania moczu bez błony, osiągając niższe odzysk zielonego wodoru podczas środowiska ścieków.