Переработка солнечных панелей: водород и материалы для батарей

Исследователи из Университета науки и технологий Ульсана (UNIST) разработали новаторскую технологию, позволяющую извлекать водород (H₂) из аммиака (NH₃) с использованием кремния (Si). Этот процесс не только снижает затраты на производство водорода, но и дает возможность перерабатывать кремний из отслуживших солнечных панелей, предлагая устойчивое решение для утилизации.

Команда под руководством профессора Чонг-Бём Пэка из Школы энергетики и химической инженерии UNIST представила процесс шарового измельчения, который позволяет получать 100% чистый водород непосредственно из аммиака при низких температурах. Результаты исследования опубликованы в сентябрьском выпуске Journal of the American Chemical Society.

Аммиак является перспективным носителем чистого топлива благодаря высокому содержанию водорода (17,6% по массе) и развитой инфраструктуре для его хранения и транспортировки. Однако традиционные методы выделения водорода из аммиака требуют высоких температур (400–600°C) и дополнительных этапов очистки, что увеличивает энергопотребление и затраты.

Новая разработка работает при температуре около 50°C, что значительно сокращает энергозатраты. Процесс заключается в помещении газообразного аммиака и мелкодисперсного порошка кремния в герметичный шаровой мельницу, содержащую мелкие керамические или стальные шарики. Интенсивное встряхивание вызывает механическое воздействие и трение, активируя кремний и вызывая быстрое разложение аммиака с выделением водорода. При этом образуется азот (N₂), который реагирует с кремнием, образуя нитрид кремния (Si₃N₄), остающийся в системе в виде твердого вещества.

Экспериментально подтверждено полное разложение аммиака с выходом водорода 102,5 ммоль в час. Чистота полученного водорода составила 100%, без примесей азота. Особо отмечается, что при использовании кремния, извлеченного из отслуживших солнечных панелей, процесс показал аналогичную высокую эффективность конверсии и чистоту водорода.

Нитрид кремния (Si₃N₄), полученный в качестве побочного продукта, является ценным материалом с потенциальным применением в производстве аккумуляторов. Литий-ионные батареи, в состав которых был введен синтезированный нитрид кремния, продемонстрировали емкость 391,5 мАч/г и сохранили более 80% начальной емкости после 1000 циклов заряда-разряда при кулоновской эффективности 99,9%.

Экономический анализ показывает, что с учетом выручки от продажи нитрида кремния, полученного из отходов солнечных панелей, стоимость производства водорода может стать отрицательной (около -7,14 USD за килограмм), что делает процесс потенциально прибыльным и экологически выгодным. Профессор Пэк подчеркнул, что данная разработка решает давнюю проблему разделения и очистки водорода в аммиачной водородной экономике. Использование кремния из отходов солнечных панелей демонстрирует жизнеспособность технологии как устойчивого метода переработки, что особенно важно в контексте прогнозируемых 80 миллионов тонн фотоэлектрических отходов к 2050 году.