Соларно устройство произвежда чиста вода и гориво едновременно

Учени разработиха плаващо, захранвано със соларна енергия устройство, което може да превърне замърсена или морска вода в чисто водородно гориво и пречистена вода навсякъде по света.

Устройството, създадено от изследователи от Университета в Кеймбридж, може да бъде полезно в среди, които са с ограничени ресурси или са отдалечени, тъй като работи с всякакви открити водоизточници и не се нуждае от външно захранване. Вдъхновението идва от фотосинтезата, но за разлика от предходни версии на “изкуственото листо”, които могат да генерират зелено водородно гориво от чисти водоизточници, това ново устройство работи със замърсени или морски водоизточници, като в същото време може да произвежда чиста питейна вода.

Тестовете на устройството показват, че то може да произведе чиста вода от силно замърсена вода, морска вода и дори от вода от р. Кам в централните части на Кеймбридж. Резултатите са докладвани в журнала Nature Water.

“Комбинирането на производството на гориво и пречистването на вода в едно-единствено устройство не е лесно”, казва д-р Чанон Порнрунгрож от катедрата по химия към Кеймбриджския университет, който е съавтор на научната статия. “Разделянето на водните молекули на водород и кислород с помощта на соларна енергия трябва да започне с напълно чиста вода, защото всеки един замърсител би могъл да отрови катализатора или да доведе до нежелани странични химични реакции.”

Едно решение на два проблема

“В отдалечени или развиващи се региони, в които водата е в относителен недостиг и инфраструктурата, необходима за пречистването на вода, не е изградена, разделянето на водната молекула е изключително трудно”, казва съавторът Арифин Мохамад Ануар. “Едно устройство, което може да работи със замърсена вода, може да реши два проблема едновременно – може да разделя вода за получаване на чисто гориво и може да произвежда чиста питейна вода.”

Порнрунгрож и Мохамад Ануар, които са членове на изследователската група на проф. Ъруин Райзнер, измислят именно това устройство. Те нанасят фотокатализатор върху наноструктурирана въглеродна решетка, която поглъща добре и светлина, и топлина, генерирайки водната пара, използвана от фотокатализатора за получаването на водород. Порьозната въглеродна решетка, обработена така, че да отблъсква водата, служи и за това да подпомогне плаването на фотокатализатора, и за да го поддържа отделен от водата отдолу, за да не могат замърсители да повлияят на функционалността му.

В допълнение, новото устройство използва повече от слънчевата енергия. “Задействаният от светлина процес за производство на соларни горива използва само малка част от соларния спектър, голяма част не се оползотворява”, казва Мохамад Ануар.

Екипът използва бял, поглъщащ ултравиолетова светлина слой за горната част на плаващото устройство за производството на водород чрез разделяне на водни молекули. Останалата част от светлината в соларния спектър се предава към долната част на устройството, която изпарява водата.
“По този начин оползотворяваме светлината по-добре – получаваме парата за производство на водород, а останалото е водна пара”, коментира Порнрунгрож. “Така наистина имитираме истинско листо, тъй като сега можем да интегрираме процеса на транспирация.”

Универсална система

Устройство, което може да произвежда чисто гориво и чиста вода едновременно, използвайки само соларна енергия, може да спомогне за справяне с енергийната и водната криза, пред които са изправени множество региони по света. Например замърсяването на въздуха в помещения вследствие на готвене с “мръсни” горива като керосин е причина за смъртта на над три милиона души всяка година, според данни на Световната здравна организация. Готвенето със зелен водород може да намали тази бройка съществено. Близо 1,8 милиона души по цял свят все още имат и недостиг на безопасна питейна вода в домовете си.
“Дизайнът е толкова прост – само с няколко стъпки можем да изградим устройство, което работи добре с вода от широк диапазон от източници”, казва Мохамад Ануар. “Поносимостта към замърсители е толкова висока и плаващият дизайн позволява на субстрата да работи в много мътна или кална вода. Това е силно универсална система”, допълва Порнрунгрож.

“Нашето устройство все още е само доказателство за принципа, но ще имаме нужда от този тип решения, ако искаме да развием наистина кръгова икономика и устойчиво бъдеще”, казва Райзнер, който ръководи проучването. “Климатичната криза и въпросите, свързани със замърсяването и здравето, са тясно обвързани и разработването на подход, който може да помогне за справянето и с двата проблема, може да промени всичко за толкова много хора.”

Проучването е финансирано частично от програма “Хоризонт 2020” на Европейската комисия, Европейския научноизследователски съвет, Cambridge Trust, Спонсорската образователна програма на Petronas и Програмата Уинтън за физиката на устойчивоста. Ъруин Райзнер е преподавател в колежа “Сейнт Джон”, Чанон Порнрунгрож е член на колежа “Дарвин”, а Арифин Мохамад Ануар е член на колежа “Клеър”.