Многие ученые и инженеры считают водород перспективным топливом, поскольку в нем уникальным образом сочетаются два качества: он горит с образованием водяного пара, при этом не образуются ни угарный, ни углекислый газы, а кроме того, его теоретически можно получать из воды, отказавшись от добычи ископаемого сырья.
Выделить водород из подсоленной воды можно при помощи достаточно простых средств: батарейки, двух кусков провода и любых электродов, на роль которых сгодятся даже обрывки конфетного фантика. Электролиз демонстрируют на уроках химии в школе, так что идея «поставить на берегу тропических морей солнечные батареи и запустить от них электролизеры» кажется очевидной. Но в промышленных масштабах электролиз для выделения водорода, тем более из соленой воды, не используют.
Почти половину всего используемого на Земле водорода сейчас получают из метана. Еще примерно треть добывают из нефти, в одной шестой части случаев сырьем служит каменный уголь, и лишь считанные проценты остаются для электролитического разложения воды. Причем вода, как отмечают авторы нового исследования, должна быть пресной, пригодной для питья и бытовых нужд. Тратить такое ценное сырье на топливо в ряде регионов откровенно нерационально.
Читайте также: Два оттенка зеленого. Автомобили на водородных топливных элементах против электромобилей
Соленая вода не годится для промышленного электролиза потому, что она быстро выводит из строя электроды. Авторы новой публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences указывают, что при первых экспериментах их электроды рассыпались в труху через 12 часов работы. Но потом они смогли найти конструкцию, которая может продержаться уже более тысячи часов, то есть больше месяца непрерывной работы.
Кроме того, ученые существенно увеличили плотность тока, который может выдерживать установка. Чем больше ток на единицу площади (то есть чем больше плотность тока), тем больше выделяется водорода и тем эффективнее процесс с экономической точки зрения. Вместо громоздких установок можно использовать компактный и при том производительный аппарат.
Достигнутое значение в один ампер на квадратный сантиметр позволяет выйти на промышленный уровень в самом ближайшем будущем: послав свою статью в журнал, авторы уже приступили к созданию опытной установки с питанием от солнечных панелей на берегу залива Сан-Франциско.
Секрет электродов, которые устойчивы к коррозии в ходе электролитического разложения воды, кроется в их структуре. Используя вполне традиционный никель без каких-либо редких элементов, ученые сформировали на его поверхности губчатый слой, затем обработали его серой (никель при этом покрылся слоем сульфида никеля), а потом нанесли покрытие из сплава никеля с железом.
Испытания показали, что такая слоистая структура с микроскопическими порами внутри выдерживает воздействие агрессивных ионов хлора на протяжении тысячи часов и способна пропускать достаточно высокие токи.
Сформировавшие поры никелевые перемычки в толщину составляют десятки микрометров, а никель-железный слой уже упорядочен на масштабе в сотни нанометров и потому с полным правом может быть назван нанотехнологическим продуктом. На упорядоченные микро- и нанообъекты из российских лабораторий можно полюбоваться в нашей галерее.
Неприхотливые электролизеры, морская вода и солнечные батареи позволят земной энергетике гораздо быстрее перейти на водород. У него есть ряд недостатков (например, его нужно очень сильно сжать для того, чтобы приблизиться по объемной плотности энергии к классическому бензину), на его получение из воды требуется тратить больше энергии, чем получится при сжигании, но в свете глобального потепления и ограниченности глобальных запасов пригодной для извлечения нефти эти недостатки не так уж принципиальны. Солнечного света на Земле довольно много, а вода оказывается в данном случае возобновляемым ресурсом: сжигание водорода даст снова водяной пар.
Алексей Тимошенко