Inżynierowie wykorzystują fale dźwiękowe do 14-krotnego zwiększenia produkcji zielonego wodoru

Inżynierowie wykorzystują fale dźwiękowe do 14-krotnego zwiększenia produkcji zielonego wodoru.

Fale dźwiękowe znacznie ułatwiają pozyskiwanie wodoru z wody.

Naukowcy z Uniwersytetu RMIT w Australii opracowali innowacyjny, obiecujący sposób na 14-krotne zwiększenie produkcji zielonego wodoru – poprzez wykorzystanie fal dźwiękowych poprzez elektrolizę do rozszczepiania wody.

Zdaniem inżynierów ich wynalazek mógłby znacznie obniżyć koszty produkcji zielonego wodoru.

„Jednym z głównych wyzwań związanych z elektrolizą jest wysoki koszt stosowanych materiałów elektrodowych, takich jak platyna lub iryd” – powiedział w oświadczeniu profesor nadzwyczajny RMIT Amgad Rezk, który kierował pracami.

„Dzięki falom dźwiękowym, które znacznie ułatwiają ekstrakcję wodoru z wody, eliminuje to konieczność stosowania korozyjnych elektrolitów i drogich elektrod, takich jak platyna czy iryd. Ponieważ woda nie jest elektrolitem korozyjnym, możemy użyć znacznie tańszych materiałów elektrodowych, takich jak srebro, – wyjaśnił Rez.

Badania zostały opublikowane w Advanced Energy Material, a australijski tymczasowy wniosek patentowy został złożony w celu ochrony nowej technologii, zgodnie z wydaniem.

W jaki sposób elektroliza jest wykorzystywana do produkcji zielonego wodoru?

Energia elektryczna przepływa przez wodę za pomocą dwóch elektrod, które rozdzielają cząsteczki wody na tlen i wodór. W procesie tym powstaje zielony wodór, który ze względu na duże zapotrzebowanie na energię stanowi jedynie „mały ułamek” światowej produkcji wodoru.

Jak więc powstaje większość wodoru? Poprzez rozszczepienie gazu ziemnego, znanego również jako niebieski wodór. Gaz ziemny emituje do atmosfery gazy cieplarniane.

W swoim eksperymencie inżynierowie RMIT wykorzystali wibracje o wysokiej częstotliwości do „dzielenia i podbijania” pojedynczych cząsteczek wody podczas elektrolizy.

„Wydajność elektryczna elektrolizy z falami dźwiękowymi była około 14 razy większa niż elektrolizy bez nich, przy danym napięciu wejściowym. Odpowiadało to ilości wyprodukowanego wodoru” – powiedziała pierwsza autorka Yemima Ehrnst.

Przełom to ogromny krok w kierunku wykorzystania „nowej platformy akustycznej”
Ehrnst dodał, że fale dźwiękowe „zapobiegały również gromadzeniu się pęcherzyków wodoru i tlenu na elektrodach, co znacznie poprawiło ich przewodnictwo i stabilność”.

„Materiały elektrod stosowane w elektrolizie są narażone na gromadzenie się wodoru i tlenu, tworząc warstwę gazu, która minimalizuje aktywność elektrod i znacznie zmniejsza ich wydajność” – powiedział dr Ehrnst. naukowiec w Szkole Inżynierii RMIT.

Profesor Leslie Yeo, jeden z czołowych naukowców, powiedział, że przełom był ogromnym krokiem w kierunku wykorzystania „nowej platformy akustycznej” do innych zastosowań.

„Nasza zdolność do tłumienia gromadzenia się pęcherzyków na elektrodach i szybkiego usuwania ich poprzez wibracje o wysokiej częstotliwości stanowi duży postęp w zakresie przewodności i stabilności elektrod. Dzięki naszej metodzie możemy potencjalnie poprawić wydajność konwersji, prowadząc do dodatniej oszczędności energii netto o 27 procent”, powiedział Yeo z RMIT School of Engineering.

Jednak integracja innowacji w zakresie fal dźwiękowych z obecnymi elektrolizerami w celu zwiększenia skali pracy jest wyzwaniem, nad którym zespół musi pracować.

Streszczenie badania:

Przedstawiono nowatorską strategię wykorzystującą hybrydowe fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości (10 MHz) do radykalnego wzmocnienia reakcji wydzielania wodoru (HER) w notorycznie trudnych elektrolitach neutralnych poprzez modyfikację ich stanu koordynacji sieci. W tym miejscu uwzględniono praktyczne ograniczenia związane z istniejącą technologią elektrolizerów, w tym zapotrzebowanie na wysoce korozyjne elektrolity i drogie elektrokatalizatory, poprzez ponowne zdefiniowanie ubogich koncepcyjnie elektrokatalizatorów wodorowych w elektrolitach obojętnych. Poprawę wydajności HER przypisuje się wyjątkowej zdolności intensywnego lokalnego sprzężenia elektromechanicznego wynikającego z wymuszenia akustycznego do „frustracji” tetraedrycznie skoordynowanej sieci wiązań wodorowych cząsteczek wody na granicy faz elektroda-elektrolit, co skutkuje generowaniem wysokiego stężenia „wolnych” cząsteczek wody, które mają łatwiejszy dostęp do miejsc katalitycznych na niezmodyfikowanej elektrodzie polikrystalicznej. Wraz z innymi efektami synergicznymi, które towarzyszą wzbudzeniu akustycznemu (np. generowanie jonów hydroniowych, konwekcyjne rozluźnienie ograniczeń dyfuzyjnego przenoszenia masy oraz zapobieganie gromadzeniu się pęcherzyków i ich usuwaniu z elektrody), wynikająca z tego redukcja nadpotencjału o 1,4 V przy – 100 mA cm-2 i odpowiadający mu 14-krotny wzrost gęstości prądu, wraz z dodatnią oszczędnością energii netto na poziomie 27,3%, pokazuje potencjał tej technologii jako skalowalnej platformy do skutecznego zwiększania wydajności produkcji ekologicznego wodoru.