Електрохимична помпа вади чист водород от амоняк

На 9 септември екип от MIT публикува в Nature устройство, което изтегля чист водород от амоняк при 200–300 °C — вместо при над 500 °C, колкото искат обичайните реактори за разграждане на амоняк. Статията се нарича „Anodic Pd membrane H2 extraction enhances thermochemical dehydrogenation“, водещ автор е Руи Зенг (по онова време постдок в MIT, днес професор в Харбинския технологичен институт в Шенжен), а кореспондиращ автор — Йогеш Сурендранат, професор по химия и химично инженерство в MIT. Работата е финансирана от Националната научна фондация на САЩ, а подробно описание има в съобщението на MIT News.

Защо амонякът, а не самият водород

Водородът е неудобен за превозване: трябва или да го сгъстите до стотици атмосфери, или да го охладите до -253 °C. Амонякът (NH₃) е далеч по-сговорчив — втечнява се при -33 °C при атмосферно налягане, носи 17,6% водород по маса и вече се произвежда и превозва в промишлени количества, близо 200 милиона тона годишно, главно за торове. Оттук и идеята амонякът да се ползва като „контейнер“ за водород: произвеждате го там, където има дешева зелена енергия, откарвате го с кораб и го разграждате на място.

Проблемът е точно в последната стъпка. Класическото разграждане (cracking) иска висока температура, а след него получавате смес от водород и азот, която трябва да бъде пречистена — още едно съоръжение и още енергия.

Помпа, а не просто реактор

Новата клетка прави трите неща наведнъж: разгражда, разделя и концентрира. Конструкцията свързва катализатор от рутений и цезий с палладиева мембрана през електролит от разтопен хидроксид.

Палладият има любопитно свойство — пропуска водород и почти нищо друго. Тук мембраната работи като анод: на повърхността ѝ водородните атоми се окисляват до протони и електрони, протоните тръгват през електролита, а на другия електрод се събират обратно в молекулен H₂. Тоест електричеството не върши самата химия на разграждането, а изсмуква продукта от реакционната среда.

Ефектът е двоен. Първо, получавате поток от чист водород, който не се нуждае от следващо пречистване. Второ — и по-интересното — самото изтегляне бута реакцията напред. Дехидрогенирането на амоняк се задушава от собствения си продукт; като махате водорода в реално време, равновесието се измества и реакцията тръгва при условия, при които иначе би била мъчително бавна.

„Показахме, че с електрохимия можем да движим реакции на дехидрогениране, които са термодинамично нагоре и кинетично трудни“, коментира Сурендранат в съобщението на MIT. По думите му системата „активно изпомпва водород от ниска към висока концентрация“.

Подходът не е вързан само за амоняка. Екипът е проверил и метилциклохексан — един от течните органични носители на водород (LOHC), върху които също се залага за транспорт.

Какво още не знаем

Заглавието не е „водородната икономика е решена“, и си струва да се каже защо. Клетката стъпва на палладий и рутений — метали, които са скъпи и се добиват в малки количества. За промишлен мащаб мембранната площ трябва да е огромна, а палладиевите мембрани имат навика да се напукват при циклично насищане с водород. Засега говорим за демонстрация в лабораторен размер; производителността на квадратен метър, издръжливостта при хиляди часове работа и цената на готов модул предстои да бъдат показани.

Зависимостта от редки метали впрочем е общата болка на целия енергиен преход — същата, която прави веригите за доставки на кобалт и уран от Конго геополитически въпрос, а не просто търговски.

Струва си да отбележим и повтарящия се инженерен мотив: печалбата често е в свалянето на работната температура, а не в нов химичен трик. Същото важи и за диамантения квантов компютър на Fujitsu, който работи при 1,55 K вместо при миликелвини — не е стайна температура, но е достатъчно, за да поевтинее цялата периферия.

Паралелно: водородът от вода и светлина

Два дни по-късно, на 11 септември, друг екип публикува резултат от обратната посока на проблема — как да произвеждаме водорода. Изследователи от Института за молекулярни науки в Япония, водени от Джонгчиу Лин и доц. Тошики Сугимото, съобщават в The Journal of Physical Chemistry Letters (DOI: 10.1021/acs.jpclett.6c01721), че фотокаталитичното отделяне на водород върху анатазен TiO₂ върви по-добре, когато водата се държи по-слабо за повърхността.

Това противоречи на досегашната логика, че колкото по-хидрофилна е повърхността, толкова по-добре. Екипът е комбинирал инфрачервена спектроскопия с масспектрометрия в реално време при контролирана влажност — от части от монослой до няколко монослоя вода — и е нормализирал скоростите спрямо площ и брой водни слоеве, за да изолира реактивността на самия интерфейс. Изводът: подвижната, по-гъвкава мрежа от водородни връзки реагира по-охотно. Повече по темата има в материала на Phys.org.

Заключение

Двете публикации не са свързани, но се четат добре една до друга: едната подсказва как да се прави водород по-ефективно, другата — как да се вади обратно от носителя, в който го превозваме. Резултатът от MIT е по-близо до приложение, защото атакува конкретен и скъп етап от веригата — разграждането на амоняк и пречистването след него. Дали ще излезе от лабораторията зависи най-вече от палладия. Българско резюме на изследването можете да прочетете и в nauka.bg.