Solárne zariadenie mení špinavú vodu na vodíkové palivo a pitnú vodu

Fotokatalytické štiepenie vody premieňa slnečné svetlo priamo na skladovateľný vodík, ale často si vyžaduje čistú vodu a pôdu na inštaláciu systému, pričom sa vytvára nevyužiteľné odpadové teplo. Keďže voda je vzácny zdroj, udržateľnejšou možnosťou by bolo fotokatalytické zariadenie, ktoré využíva akýkoľvek zdroj neupravenej vody, ako je rieka, more, vodná nádrž alebo priemyselná odpadová voda.

A tak vedci z Cambridgeskej univerzity, inšpirovaní procesom fotosyntézy, vytvorili solárne poháňané zariadenie schopné produkovať čisté vodíkové palivo a čistú pitnú vodu súčasne zo znečistenej vody alebo z morskej vody.

„Spojiť výrobu solárnych palív a výrobu vody v jednom zariadení je zložité,“ povedal Chanon Pornrungroj, hlavný autor štúdie. „Slnečné štiepenie vody, pri ktorom sa molekuly vody rozkladajú na vodík a kyslík, musí začať s úplne čistou vodou, pretože akékoľvek kontaminanty môžu otráviť katalyzátor alebo spôsobiť nežiaduce chemické vedľajšie reakcie“.

Výskumníci chceli napodobniť schopnosť rastliny fotosyntetizovať, ale na rozdiel od predchádzajúcich zariadení, ktoré vyrábali zelené vodíkové palivo z čistých vodných zdrojov, chceli, aby ich zariadenie využívalo kontaminovanú vodu, vďaka čomu by bola použiteľná v oblastiach, kde je ťažké nájsť čistú vodu.

„V odľahlých alebo rozvojových regiónoch, kde je čistá voda relatívne vzácna a infraštruktúra potrebná na čistenie vody nie je ľahko dostupná, je delenie vody mimoriadne ťažké,“ povedal Ariffin Mohamad Annuar, spoluautor štúdie. „Zariadenie, ktoré by mohlo pracovať s kontaminovanou vodou, by mohlo vyriešiť dva problémy naraz: mohlo by rozdeliť vodu na čisté palivo a mohlo by vyrobiť čistú pitnú vodu“.

Tím umiestnil fotokatalyzátor absorbujúci UV svetlo na nanoštruktúrovanú uhlíkovú sieť absorbujúcu infračervené svetlo, čo je dobrý absorbér svetla aj tepla, aby sa vytvorila vodná para, ktorú fotokatalyzátor používa na vytvorenie vodíka. Porézna uhlíková sieť, ktorá bola upravená tak, aby odpudzovala vodu, pomohla fotokatalyzátoru plávať a držala ho ďaleko od vody pod ním, takže nečistoty nenarúšali jeho funkčnosť. Okrem toho táto konfigurácia umožňuje zariadeniu využívať viac energie zo Slnka.

„Svetlom poháňaný proces výroby solárnych palív využíva iba malú časť slnečného spektra. Existuje veľké množstvo spektra, ktoré zostáva nevyužité,“ povedal Annuar.

Výskumníci teda použili bielu vrstvu absorbujúcu UV žiarenie na vrchu plávajúceho zariadenia na výrobu vodíka štiepením vody. Zvyšok svetla v slnečnom spektre sa prenáša do spodnej časti zariadenia, čím sa odparí voda. Vedci tvrdia, že to viac napodobňuje transpiráciu, proces pohybu vody cez rastlinu a jej vyparovanie z nadzemných častí, ako sú listy, stonky a kvety.

„Takto lepšie využívame svetlo. Získame paru na výrobu vodíka a zvyšok tvorí vodná para,“ povedal Pornrungroj. „Týmto spôsobom skutočne napodobňujeme list rastliny, pretože sme teraz dokázali začleniť proces transpirácie“.

Vedci testovali svoje zariadenie pomocou skutočných zdrojov otvorenej vody, vrátane vody z rieky Cam v centre Cambridge a zakaleného priemyselného odpadu z papierenského priemyslu. V umelej morskej vode si zariadenie po 154 hodinách zachovalo 80 % svojho pôvodného výkonu. Vedci tvrdia, že keďže je fotokatalyzátor izolovaný od kontaminantov vo vodnom zdroji a zostáva relatívne suchý, zariadenie si môže zachovať svoju prevádzkovú stabilitu.

„Je to tak tolerantné voči znečisťujúcim látkam a plávajúci dizajn umožňuje substrátu pracovať vo veľmi zakalenej alebo bahnitej vode,“ povedal Pornrungroj. „Je to vysoko všestranný systém“.

Výskumníci tvrdia, že ich zariadenie má potenciál riešiť problémy udržateľnosti a obehového hospodárstva.

„Naše zariadenie je stále dôkazom princípu, ale toto sú druhy riešení, ktoré budeme potrebovať, ak chceme vyvinúť skutočne obehové hospodárstvo a udržateľnú budúcnosť,“ povedal Erwin Reisner, zodpovedajúci autor štúdie. „Klimatická kríza a problémy týkajúce sa znečistenia a zdravia spolu úzko súvisia a vývoj prístupu, ktorý by mohol pomôcť riešiť oboje, by pre mnohých ľudí zmenil pravidlá hry“.

Štúdia bola nedávno publikovaná v magazíne Nature Water.