Prodhimi i hidrogjenit përmes elektrolizës është zakonisht një proces kompleks dhe energji-intensiv. Po kështu është edhe trajtimi i ujrave të zeza. I frymëzuar nga gjethet, të cilat përdorin energjinë e diellit për të prodhuar oksigjen dhe për të kryer procese të tjera, shkencëtarët në Universitetin Teknologjik Nanyang në Singapor kanë zhvilluar një pajisje me energji diellore që prodhon hidrogjen nga uji i detit, duke shkatërruar në të njëjtën kohë hidrazinën, një ndotës shumë toksik i ujrave të zeza industriale.
Modeli i tyre demonstrativ kombinoi thelbesisht një qelizë diellore të vogël, një elektrolizator dhe një sistem trajtimi të ujrave të zeza në një pajisje. Në teste, pajisja ruajti një funksionim stabil për më shumë se 72 orë, duke prodhuar hidrogjen me një ritëm prej 466 μmol për centimetër katror në orë. Në një test të veçantë, ajo ul edhe koncentrimin e hidrazinës toksike në ujin e kontaminuar nga 0.5 M (rreth 1.6% sipas peshës) në 0.5 pjesë për miliard (ppb), më shumë se 20 herë nën kufirin e lejuar nga Agjencia e Mbrojtjes Mjedisore e SHBA-së prej 10 ppb, brenda rreth 30 orëve.
“Ky pajisje me dy funksione përfaqëson një hap të rëndësishëm përpara në teknologjinë mjedisore. Duke shfrytuar në mënyrë efikase energjinë e diellit për të shkatërruar një ndotës industrial toksik, ndërkohë që prodhohet karburant i pastër, ne po zgjidhim një problem të energjisë dhe një problem të ndotjes,” thotë Prof. Lydia Wong, një nga kërkueset.
Hidrogjeni, i përdorur gjerësisht si materie e parë industriale dhe gjithnjë e më shumë si karburant i pastër, mund të prodhohet përmes elektrolizës, një proces elektrokimik në të cilin një elektrolizator përdor energji elektrike për të ndarë molekulat e ujit në hidrogjen dhe gaz oksigjen. Në elektrolizën konvencionale të ujit, hidrogjeni prodhohet në katod (elektrodë negative), ndërsa oksigjeni lirohet në anod (elektrodë pozitive).
Uji i detit është një materie e parë erhe, pasi është i bollshëm dhe ofron një alternativë të mundshme ndaj ujit të ëmbël, i cili është tashmë i rrallë në shumë pjesë të botës. Problemi, megjithatë, është përmbajtja e lartë e klorit, e cila mund të korodojë elektrodët dhe komponentët e tjerë të elektrolizatorit, dhe gjithashtu mund të shkaktojë reaksione të padëshiruar që prodhojnë përbërje toksike të klorit. Në një projekt të veçantë, shkencëtarët në Universitetin e Hong Kongut zhvilluan një aliazh çeliku të çelmuar, i quajtur SS-H2, për të ndihmuar në zgjidhjen e këtij problemi.
Kërkuesit e NTU ndoqën një qasje të ndryshme, e detajuar në revistën “Nature Communications”, e cila jo vetëm që përballon problemin e korrozionit, por edhe shkatërron çdo hidrazinë e pranishme në ujin e detit, duke bërë procesin e prodhimit të hidrogjenit më eficient në energji.
Siç e dini, në elektrolizën konvencionale, energjia elektrike e furnizuar shkakton dy reaksione njëkohësisht. Në katod, molekulat e ujit marrin elektrone dhe prodhojnë gaz hidrogjen, ndërsa në anod, ato humbasin elektrone dhe prodhojnë oksigjen. Oksigjeni i krijuar shpesh lirohet në atmosferë, duke thënë se një sasi e konsiderueshme energjie shpenzohet për të prodhuar një produkt “dytësor”.
Si alternativë, hulumtuesit zhvilluan një anod që, në vend të prodhimit të oksigjenit, shkatërron hidrazinën, një ndotës industrial shumë toksik. Për të arritur këtë, ata e pajisën anodin me një katalizator special që stimulon shkatërrimin e hidrazinës në gaz azot, duke gjeneruar në të njëjtën kohë edhe hidrogjen shtesë përmes një reaksioni dytësor. Është interesante se shkatërrimi i hidrazinës kërkon një sasi shumë më të vogël energjie sesa prodhimi i oksigjenit përmes elektrolizës konvencionale.
Ndaj, anodi i hulumtuesve jo vetëm që heq një kontaminat toksik, por edhe zvogëlon energjinë e nevojshme për të prodhuar hidrogjen në katod, duke rritur eficiencën e përgjithshme të sistemit për prodhimin e hidrogjenit. Më tej, katalizatori vetë përmban hekur, kobalt dhe krom. Kjo kombinacion e bën atë rezistent ndaj korrozionit dhe ndihmon në parandalimin e prodhimit të përbërjeve toksike të klorit që, ndryshe, do të dëmtonin elektrodat.
Tani, edhe katodi nuk u lënë pas dore nga kjo risi.
Elektrolizatorët konvencionalë mbështeten në energji elektrike të furnizuar nga një burim ekstern për të nxitur reaksionin që prodhon hidrogjen. Hulumtuesit e ndërtuan katodin nga perovskite të halidit të plumbit, një material semikonduktor që absorbon dritën dhe e konverton në energji elektrike. Si rezultat, përveç prodhimit të hidrogjenit, fotokatodi perovskite gjithashtu gjeneron energjinë elektrike që ushqen të gjithë sistemin, duke lejuar që pajisja të funksionojë pa një burim energjie ekstern.
Megjithatë, perovskitet janë të njohura për vulnerabilitetin e tyre ndaj lagështisë dhe mjediseve kimike të ashpra, duke shkaktuar një problem të qartë në ujërat e detit. Për të zgjidhur këtë problem, hulumtuesit e mbrojtën perovskitin me një shtresë epossë conductive që përmban grimca argjendi dhe bakri, së bashku me një fletë titanium që parandalon kontaktin e ujit me materialin semikonduktor të ndjeshëm, ndërkohë që lejon kalimin e ngarkimit elektrik. Ata gjithashtu e mbuluan titaniumin me një shtresë të hollë platini për të lehtësuar prodhimin e hidrogjenit.
Për të testuar aparatin, hulumtuesit e vendosën në zgjedha alkale që përmbanin ujë të imituar të detit dhe ujë të detit të vërtetë, me hidrazinë të shtuar, dhe e ekspozuan ndaj dritës artificiale që përputhej me intensitetin e dritës së diellit në një ditë të qartë. Në të dyja raste, aparati gjeneroi një dendësi të rrymave të fotos (photocurrent density) prej rreth 25 miliampër për centimetër katror, një nga më të lartat e raportuara për fotokatodët perovskit të bazuar në plumb, pa nevojë për energji elektrike të jashtme.
Ai gjithashtu prodhoi hidrogjen me një ritëm prej 466 mikromol për centimetër katror në orë dhe ruajti një funksionim stabil për më shumë se 72 orë, pa asnjë rënie të dukshme të performancës. Më pas, hulumtuesit ndërtuan një version më të madh, duke rritur sipërfaqen e fotokatodës nga 0.56 në 6.25 centimetra katror, për të testuar aftësinë e tij për të hequr hidrazinën nga uji. Pas rreth 30 orësh, aparati ul reduktoi koncentrimin e hidrazinës nga 0.5 molare (rreth 1.6% sipas peshës) në 0.5 pjesë për miliard, shumë nën kufirin prej 10 pjesë për miliard që hulumtuesit cituan.
Ata gjithashtu testuan “gjethen” artificiale në ajër të hapur, nën dritën natyrore të diellit, ku vëzhguan formimin e flluskave të hidrogjenit dhe azotit, duke provuar se sistemi mund të funksiononte jashtë kushteve të ndriçimit laboratorik. Kjo punë është shumë ngjashme me një projekt më të hershëm të quajtur “gjethe artificiale” nga hulumtuesit e Universitetit Rice, i cili shndërroi ujin dhe dritën e diellit në karburant hidrogjeni, por me avantazhin e shtuar të heqjes së kontaminimit.
“Përparësia kryesore këtu nuk është thjesht prodhimi i hidrogjenit me energji diellore, por demonstrimi i një rruge praktike drejt sistemeve fotoelektrokimike multifunksionale. Disa qasje të tilla me dy qëllime janë të prirë të luajnë një rol gjithnjë e më të rëndësishëm në zhvillimin e teknologjive të karburantit diellor në të ardhmen, ku vlera ekonomike dhe ndikimi mjedisor duhet të shkojnë bashkë,” thotë Profesori i Fotokemisë dhe Energjisë së Qëndrueshme në Universitetin e Oksfordit, James Durrant, i cili nuk ishte i përfshirë në këtë hulumtim.
Pra, a është ky aparati i gatshëm të “revolucionojë” prodhimin global të hidrogjenit nga elektroliza e ujit të detit? Jo, ende nuk.
Një nga avantazhet e aparatit është, ironikisht, një kufizim në një kuptim tjetër. Përkujtojani anodën që mund të degradojë hidrazinën? Rezulton se ajo nuk mund të funksionojë pa praninë e hidrazinës. Sistemi ka nevojë për këtë kontaminant për të funksionuar kimikisht. Kjo do të thotë se ai është i përshtatshëm për prodhimin e hidrogjenit nga dhe për trajtimin e ujrave të zeza të kontaminuara me hidrazinë, dhe jo për elektrolizë të përgjithshme.
Ekziston gjithashtu shqetësim rreth përmbajtjes së plumbit në këtë pajisje. Perovskitet e plumb-halidit absorbojnë mirë dritën, por degradojnë në ujë. Kërkuesit e kanë zgjidhur këtë kufizim duke përdorur shtresa mbrojtëse që përmbajnë epoksi kondiktiv dhe fletë titaniumi. Megjithatë, ruajtja e stabilitetit të materialeve dhe parandalimi i rrjedhjes së kontaminimit gjatë viteve të funksionimit mbetet një sfidë.
Ndoshta, më e rëndësishmja, sistemi është ende në fazën e konceptit provues.
Aplikimet industriale dhe me shkallë të gjerë kërkojnë një zgjerim të konsiderueshëm dhe një qëndrueshmëri më shumë se 72 orë. Kërkuesit pranojnë se është e nevojshme të përmirësohet qëndrueshmëria afatgjatë e sistemit, mbledhja e hidrogjenit, shkallëzueshmëria dhe integrimi me sistemet ekzistuese, duke u siguruar në të njëjtën kohë që ai mund të përballojë përbërjet kimike dhe nivelet e pH-së të ndryshme të ujit të detit dhe të ujit të zeze industrial. Ata po zhvillojnë gjithashtu katalizatorë që degradojnë ndotësit e tjerë dhe konvertojnë materialet e mbetura në produkte të dobishme, të tilla si karburantet dhe kimikatet industriale.
Burimi: Universiteti Teknologjik Nanyang.
Burimi: newatlas.com
