Предложена технология переработки биомассы для производства водорода

Группа исследователей под руководством профессоров Сынхо Чо и Кванён Со из Школы энергетики и химической инженерии UNIST, в сотрудничестве с профессором Чжи-Вук Джаном с кафедры материаловедения и инженерии UNIST, разработала инновационную технологию производства водорода (H2) с использованием солнечной энергии. Результаты их исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Новая технология использует биомассу, полученную из отходов сахарного тростника, и кремниевые фотоэлектроды для получения водорода, достигая производительности, в четыре раза превышающей контрольный показатель коммерциализации, установленный Министерством энергетики США. Это позволяет получать водород исключительно с использованием солнечного света, без выбросов углекислого газа (CO2), что делает метод экологически чистым и эффективным.

Водород признан топливом следующего поколения, поскольку он не выделяет парниковых газов при сгорании и обладает плотностью энергии, в 2,7 раза большей, чем у бензина. Однако на данный момент большая часть водорода производится из природного газа, что сопровождается значительными выбросами углекислого газа. Разработанная исследовательской группой фотоэлектрохимическая (ПЭК) система обеспечивает производство водорода без выбросов CO2, используя фурфурол, который извлекается из отходов сахарного тростника.

В этой системе фурфурол окисляется на медном электроде, в результате чего образуется водород, а остаточный материал превращается в фурановую кислоту — ценное побочное вещество. На противоположном кремниевом фотоэлектроде вода также расщепляется, что приводит к дополнительному производству водорода. Такой двойной механизм производства водорода теоретически удваивает скорость его производства по сравнению с обычными системами PEC. На практике производительность достигает 1,4 ммоль/см2·ч, что почти в четыре раза превышает целевой показатель Министерства энергетики США в 0,36 ммоль/см2·ч.

Процесс начинается с того, что фотоэлектрод поглощает солнечный свет и генерирует электроны. Кристаллические кремниевые фотоэлектроды особенно выгодны для этого процесса, так как они могут генерировать значительное количество электронов. Однако низкое генерируемое напряжение (0,6 В) затрудняет начало реакций производства водорода без внешнего питания. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа ввела реакцию окисления фурфурола на противоположном электроде, что позволяет сбалансировать напряжение всей системы.

Такой подход сохраняет высокую плотность фототока, характерную для кристаллических кремниевых фотоэлектродов, и одновременно снижает нагрузку на систему, позволяя производить водород без необходимости внешнего питания. Плотность фототока, напрямую связанная со скоростью производства водорода, играет ключевую роль в эффективности технологии.

Кроме того, в этой системе используется структура встречно-штыревого тыльного контакта (IBC), что минимизирует потери напряжения внутри фотоэлектрода. Электрод также покрыт никелевой фольгой и слоями стекла, что защищает его от электролита и обеспечивает долговечность. Погруженная структура кремниевого фотоэлектрода также способствует самоохлаждению, что повышает эффективность и стабильность технологии.

Как отмечает профессор Чжи-Вук Джанг, эта технология позволяет достичь скорости производства водорода из солнечной энергии, которая в четыре раза превышает стандарт коммерциализации, установленный Министерством энергетики США. Это открывает новые возможности для повышения экономической жизнеспособности солнечного водорода и способствует обеспечению конкурентоспособных цен по сравнению с водородом, производимым на основе ископаемых топлив.