Российские ученые разработали способ получения водорода, который затрачивает вдвое меньше энергии, чем электролиз

Химикам УУХ СО РАН удалось в 2 раза сократить энергозатраты на получение водорода с помощью разложения воды.

Источник: ФИЦ угля и углехимии СО РАН (Кемерово)

Кемерово, 23 мая - ИА Neftegaz.RU. Ученые ФИЦ угля и углехимии СО РАН (Кемерово) разработали технологию получения водорода окислением частиц алюминия в воде под воздействием лазерного излучения.
Об этом сообщила пресс-служба Центра НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики».

Расчеты показали, что эта технология затрачивает в 2 раза меньше энергии, чем классический способ синтеза «зеленого» водорода - электролиз.
Зеленый водород - самый чистый, его получают методом электролиза, т.е. путем разложения воды на водород и кислород с помощью электрического тока, который используют от возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Главный недостаток этой технологии - высокая стоимость.
Удельные затраты электроэнергии на производство водорода достигают 40 кВт·ч/кг.
Во многом из-за этого доля «зеленого» водорода не превышает 5% мирового объема производства.

Технология получения водорода окислением частиц алюминия в воде под воздействием лазерного излучения

Источник фото: ФИЦ угля и углехимии СО РАН

Химикам ФИЦ УУХ СО РАН удалось в 2 раза сократить энергозатраты на получение водорода с помощью разложения воды.
В качестве сырья они использовали суспензию из воды и нанопорошка алюминия, которую облучали лазером.
Водород получался под действием лазерных импульсов (1064 нм, 14 нс, 10 Гц, 0,5–6 Дж/см²) на суспензию, содержащую 0,03 мас. % алюминия (100 нм) в воде.
Наночастицы алюминия поглощают энергию лазера и нагреваются.
В результате нагрева непрерывность оксидной пленки нарушается, и металлический алюминий вступает в реакцию с водой.
Происходит полное превращение алюминия в продукты (гиббсит, бемит, байерит).
Максимальный выход водорода V m = 8,4 мл не зависит от плотности энергии лазерного излучения.
Время достижения V м уменьшается по гиперболическому закону с увеличением плотности энергии лазерного излучения, достигая 3,5 мин при плотности энергии 6 Дж/см².

Тезисы одного из авторов разработки, научного сотрудника ФИЦ угля и углехимии СО РАН Я. Крафта:

преимущество технологии в том, что лазерное излучение поглощается только частицами алюминия, а вода оптически прозрачна;
частицы алюминия покрыты оксидной оболочкой - облучение разрушает ее, вода контактирует с металлическим ядром и происходит химическая реакция с выделением водорода;
благодаря простоте процесса, выбранным компонентам и инструментам мы можем сократить затраты электроэнергии до 15–17 кВт·ч на 1 кг водорода.

Побочный продукт процесса - оксид алюминия, который можно использовать для производства адсорбентов и керамических материалов, а также в качестве носителя катализаторов.
Технология с учетом выведения на промышленный уровень также может оказаться доступнее электролиза.

наш лазер исследовательского класса и характеристики его излучения даже избыточны для промышленного получения водорода данным методом;
предлагаемую технологию можно масштабировать, используя доступные коммерческие полупроводниковые лазеры;
наши расчеты показывают, что производительность модуля с использованием одного источника лазерного излучения составит 2,5-3 м³/час водорода;
если их объединить в кластер, то можно достичь показателей промышленного электролизера, только система получится более компактной и дешевой.

Преимущества новой технологии

более выгодна, чем получение водорода путем лазерной абляции металлов, поскольку здесь используются более низкие плотности лазерной энергии при одинаковых скоростях реакции;
повышенная плотность энергии позволит получить более высокие скорости реакции при 100% превращении металла в продукты без нагревания всей суспензии;
в предлагаемой технологии получения водорода сырье представлено только наночастицами алюминия и водой:

водная суспензия наночастиц алюминия не содержит дополнительных химических соединений,
легирования наночастиц алюминия или их специальной обработки не требуется,
новая технология технически проста,
применение недорогих и широко распространенных полупроводниковых лазеров позволит снизить себестоимость производимого водорода,
в состав продуктов реакции входит не только водород, но и наноструктурированные частицы гидроксида алюминия. Эти продукты, полученные при нагревании гидроксида алюминия, могут значительно компенсировать стоимость исходного материала.

Недостатки технологии:

сложное масштабирование технологического процесса.

В ближайшее время ученые планируют снизить стоимость получаемого водорода, заменив наночастицы на отходы металлообработки - алюминиевые опилки и стружки.
Это будет переработка вторичного сырья, которая ускорит внедрение технологии.

ФИЦ угля и углехимии СО РАН

ФИЦ УУХ СО РАН входит в консорциум Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики» на базе Института катализа СО РАН.
Создан в декабре 2021 г. в соответствии с постановлением Правительства РФ № 1251 от 16.10.2017 г.
Консорциум ФИЦ в 2023 г. включает 37 организаций: 12 НИИ, 14 ВУЗов, 11 промышленных предприятий.
Специалисты центра и их партнеры проводят фундаментальные и прикладные исследования для внедрения методов получения и применения чистого водорода.
И не только.
Цели ФИЦ:

доведение уровня готовности предлагаемых технических решений до высокой стадии УГТ5 и УГТ6, что повысит вероятность их внедрения;
формирование инфраструктуры и научно-технологической базы для развития водородных технологий;
разработки в области водородных технологий системы полного цикла (школа - ВУЗ - НИИ/предприятие).

Основное направление деятельности ФИЦ УУХ - работы в области угольной промышленности:

оптимизация процессов разработки угольных месторождений;
фундаментальные основы глубокой переработки сырья:

создание новых углеродных материалов, композитов и сорбентов,
получение водорода из угля и метана угольных пластов (МУП).

Кто есть кто?

Существует 2 Центра:

Центр НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» по направлению «Водородные технологии» на базе Института катализа СО РАН. Адрес: 630 090, Россия, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева 5, Руководитель Центра, завотделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН, д.х.н. Снытников П. В. - на сайте которого анонсирована новость про новую технологию производства водорода;
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение (ФГБНУ) «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ УУХ СО РАН). Адрес: 650000, Россия, Кемеровская область, г. Кемерово, пр-т Советский, 18, Директор - Кочетков В. Н. ФИЦ УУХ СО РАН входит в консорциум Центра компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики».

Основное направление деятельности ФИЦ УУХ в г. Кемерово - работы в области угольной промышленности:

оптимизация процессов разработки угольных месторождений;
фундаментальные основы глубокой переработки сырья:

создание новых углеродных материалов, композитов и сорбентов,
получение водорода из угляи метана угольных пластов (МУП).

Ранее Ученые из Института катализа СО РАН разработали катализаторы на основе искусственных минералов для применения в контексте водородной энергетики для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), протонно-обменных мембран (ПОМ) и каталитических реакторов.

Автор: А. Никитина