Ovi elektrolizeri proizvode vodonik i kiseonik u zasebnim komorama, bez potrebe za prisustvom membrane.
Da bi se oslobodio fosilnih goriva, svetu su neophodne jeftinije solucije za proizvodnju zelenog vodonika, goriva koje savršeno čisto sagoreva, i koje se proizvodi uz pomoć obnovljive električne energije u cilju razdvajanja vode na vodonik i kiseonik.
Naučnici sada izveštavaju da su pronašli način da izbegnu potrebu za skupom membranom koja se nalazi u srcu ovog uređaja, proizvodeći vodonik i kiseonik u potpuno odvojenim komorama.
Kao dokaz koncepta zasnovanog na laboratorijskim nalazima, nova postavka obelodanjena ovog meseca u žurnalu Nature Materials, daleko je od eventualne primene u industrijskom obimu. Međutim, ukoliko se pokaže uspešnom, mogla bi da pruži doprinos u teškoj industriji kao što je proizvodnja čelika, ali i u proizvodnji veštačkih đubriva, što bi značajno smanjilo zavisnost od nafte, uglja i prirodnog gasa.
„Ovo je inovativni koncept“, kaže Šenon Bečer, hemičar u Univerzitetu Oregon, koji nije bio uključen u novo istraživanje. Bečer dodaje da se čini da novi dizajn funkcioniše efikasno s varirajućim količinama elekrične energije, što je prednost koja bi mogla da olakša uparivanje s povremenim isporukama električne energije koje dolaze iz vetroparkova i solarnih farmi.
Uređaji za razbijanje vode, poznati kao elektrolizeri, prvi put su predstavljeni pre više od 230 godina. Verzije uobičajene u današnje vreme, poznate kao alkalni elektrolizeri, rade poput baterija. Dve elektrode se potapaju u komoru s vodom i tečnim elektrolitom koji motiviše kretanje jona. Primena električne struje na katodu pod negativnim nabojem razdvaja vodu na molekule vodonika i negativno naelektrisane jone hidroksida. Hidroksidni joni se šire kroz tečnost ka anodi s pozitivnim nabojem, gde reaguju formirajući kiseonik i manju količinu vode. Ova postavka se oslanja na membranu između dve elektrode. Ona omogućava hidroksidnim jonima da se kreću od katode ka anodi, ali sprečava mešanje vodonika i kiseonika, koje bi se eksplozivno spajali.
Najveći deo troškova zelenog vodonika potiče od obnovljive električne energije koja pokreće proces. Većina preostalih troškova odnosi se na elektrolizer, a membrana je jedna od njegovih najskupljih komponenti, jer obično sadrži mnogo specijalizovanih slojeva za smeštaj i zaštitu molekularnih filtera, kaže Avner Rotšild, naučnik za materijale na Technion intitutu za tehnologiju u Izraelu.
Rotšild i njegove kolege smatraju da bi mogli da uklone membranu tako što će „razdvojiti“ elektrolizu i odvojiti proizvodnju vodonika i kiseonika prostorno ili vremenski. Godine 2019. napravili su postavku u kojoj su punili elektrodu na bazi nikla kao bateriju tokom koraka u proizvodnji vodonika. Kada su tu elektrodu pomerili u drugu komoru, ona je proizvodila kiseonik dok se praznila. Iako efikasna, ova postavka nije bila bez nedostataka. Kao prvo, pomeranje elektrode između koraka znači da reaktor ne može da radi neprekidno, što bi ga činilo preskupim za povećanje obima. Takođe, elektrolit koji se koristi u koraku proizvodnje kiseonika mora biti vruć da bi se ubrzala reakcija, što zahteva upotrebu skupih materijala i izolacije, kako bi se sprečio gubitak toplote.
Da bi zaobišli ove probleme, istraživači su redizajnirali svoj odvojeni elektrolizer tako da proizvodnja vodonika ne puni anodu, već umesto toga menja molekule u tečnom elektrolitu. U ovom slučaju, tokom proizvodnje vodonika na anodi, bromidni joni u elektrolitu se pretvaraju u bromat. Taj elektrolit, koji sadrži bromat, pumpa se u drugu komoru, koja ima katalizator koji izaziva razlaganje bromata nazad u bromid i kiseonik u reakciji koja funkcioniše na sobnoj temperaturi. Postavka je proizvodila vodonik kontinuirano velikom brzinom. Iako efikasnost nije bila tako visoka kao od tipičnog alkalnog elektrolizera, „možemo da držimo vodonik i kiseonik odvojenim bez membrane“, što bi trebalo da smanji troškove proizvodnje vodonika velikog obima, kaže Rotšild.
Novi pristup se i dalje suočava s nekoliko izazova, primećuje Mark Sajms, hemičar s Univerziteta u Glazgovu, koji je pomogao u stvaranju nekih od prvih odvojenih elektrolizera pre jedne decenije. Kao prvo, kaže on, da bi se sprečilo da bromat reaguje na anodi pre nego što se mož pumpati u drugu komoru, tim je mogao da obloži anodu materijalom koji dozvoljava vodoniku da izađe, ali blokira bromat da stigne do anode. Taj premaz je zahtevao dodavanje u rastvor heksavalentnog hroma, snažnog kancerogena, što je izazvalo zabrinutost zbog curenja toksičnih sredstava. Takođe, kaže Sajms, elektrode u uređaju koriste ili platinu ili rutenijum, koji su skupi i retki metali.
Rotšild kaže da njegova grupa već radi na uređaju sledeće generacije, koji bi rešio dotične probleme. Bilo kakav uspeh u eliminaciji membrana elektrolizera mogao bi predstavljati istinski benefit u naporima da se dekarbonizuju delovi industrije koji u najvećoj meri zavise od fosilnih goriva, kaže on. „Ne mogu da precenim do koje mere je ta prednost velika.“
