Инновационная мембрана для чистого водорода без "вечных" химикатов

Водород уже является важнейшим источником энергии, обеспечивающим работу таких отраслей, как производство удобрений, стали и нефтепереработка. Однако существующие методы его получения связаны со значительными выбросами углерода. Исследователи активно работают над более экологичными и экономичными способами производства водорода.

Одним из наиболее перспективных направлений является водный электролиз — процесс, при котором электричество используется для расщепления молекул воды (H2O) на водород (H2) и кислород (O2) с помощью специального устройства — электролизера.

Ключевым компонентом электролизера выступает тонкая мембрана. Ее задача — разделять молекулы кислорода и водорода, пропуская при этом положительно заряженные атомы водорода, называемые протонами.

На сегодняшний день в промышленности широко используются мембраны на основе пер- и полифторалкильных веществ (PFAS), таких как Nafion. Эти вещества известны как «вечные химикаты» из-за их чрезвычайной устойчивости в окружающей среде, что создает серьезные экологические риски при неправильном обращении.

Команда инженера-химика Дэна Эспозито из Колумбийского университета разработала альтернативу Nafion. Совместно с промышленными партнерами, компаниями Nel Hydrogen и Forge Nano, они создают ультратонкие мембраны на основе оксидов, не содержащие PFAS. Замена стандартных мембран позволяет сократить содержание PFAS в электролизере более чем на 99%.

«Мембрана — это сердце электролизера, обеспечивающее транспорт протонов и разделение водорода и кислорода», — поясняет Эспозито. «Ее отказ может привести к неработоспособности системы и даже к опасным ситуациям».

В своей работе, опубликованной в журнале ACS Nano, лаборатория Эспозито описывает процесс изготовления этих сверхтонких мембран и решение проблемы, препятствующей их безопасному использованию в электролизерах.

Новый подход к созданию мембран

Эффективность и безопасность электролизера напрямую зависят от качества мембраны. «Кислород и водород должны быть надежно разделены, иначе образуется взрывоопасная смесь», — подчеркивает Эспозито. «Мембрана играет критическую роль, физически изолируя газы и обеспечивая прохождение протонов».

Для создания усовершенствованной альтернативы команда обратила внимание на диоксид кремния (SiO2) — материал, не содержащий PFAS, но обладающий значительно меньшей протонной проводимостью по сравнению с Nafion. Ранее это считалось недостатком, однако современные достижения в области нанотехнологий открыли новое решение: использование диоксида кремния для создания намного более тонких мембран.

«Оксидные материалы не всегда интуитивно подходят для таких задач, отчасти потому, что их проводимость на порядки ниже, чем у Nafion», — отмечает Эспозито. «Однако сопротивление зависит не только от проводимости, но и от толщины».

Типичная толщина мембраны Nafion составляет около 180 микрон, что в 2-3 раза толще человеческого волоса. Используя атомно-слоевое осаждение — высокоточную технологию, усовершенствованную компанией Forge Nano, — исследователи создали плотные оксидные мембраны толщиной менее одного микрона. Это примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса и в сотни раз тоньше Nafion. Несмотря на более низкую проводимость диоксида кремния, такое радикальное уменьшение толщины позволяет достичь общего сопротивления, сопоставимого с лучшими коммерческими аналогами.

Расширяя границы производственных возможностей

Тонкие мембраны порождают новую проблему: дефекты. Микроскопические отверстия или трещины могут привести к утечке водорода на сторону кислорода.

«Всего нескольких таких дефектов на квадратный сантиметр достаточно, чтобы сделать систему небезопасной», — говорит Эспозито.

Для решения этой задачи команда разработала инновационный электрохимический метод селективного запечатывания дефектов. Применяя импульсное напряжение, они инициировали химические реакции, в результате которых наноскопические «пробки» осаждались только внутри отверстий и трещин, сохраняя тонкость и низкое сопротивление мембраны.

«Мы выяснили, что необходимо применять импульс энергии, а не постоянный ток», — поясняет Эспозито. «При непрерывном процессе изменяется pH всей поверхности, и материал пробки откладывается по всей мембране».

Результаты, указывающие на превосходство продукта

Результаты впечатляют. Лабораторные испытания показали, что мембраны с «заплатками» демонстрируют показатели перекрестной диффузии водорода до 100 раз ниже, чем у Nafion, при толщине менее 1/100 от ее значения. Хотя исследование находится на ранней стадии, промышленные партнеры команды, Nel Hydrogen и Forge Nano, уже помогают в масштабировании технологии. Исследователи переходят от испытаний в лабораторных масштабах к созданию более крупных прототипов, необходимых для коммерческого применения.

Хотя основной акцент делается на производстве водорода, Эспозито видит более широкие перспективы. Та же стратегия устранения дефектов может быть применена в топливных элементах, проточных батареях, а также в очистке воды и производстве полупроводников.

В настоящее время команда с энтузиазмом работает над усовершенствованием технологии, способной сделать производство водорода методом водного электролиза одновременно экономически выгодным и экологически чистым.

«В настоящее время менее 0,1% мирового производства водорода приходится на электролиз», — заключает Эспозито. «Если мы хотим масштабировать этот процесс устойчивым образом, нам нужны мембраны, которые будут одновременно высокопроизводительными и экологически безопасными. Именно это мы стремимся предоставить».