Исследователи разработали плавучее устройство на солнечной энергии, которое может превращать загрязненную воду или морскую воду в чистое водородное топливо и очищенную воду в любой точке мира.
Устройство, разработанное исследователями из Кембриджского университета, может быть полезно в условиях ограниченных ресурсов или в условиях отсутствия сети, поскольку оно работает с любым открытым источником воды и не требует внешнего источника питания.
Его вдохновением послужил фотосинтез — процесс, посредством которого растения преобразуют солнечный свет в пищу. Однако, в отличие от более ранних версий «искусственного листа», который мог бы производить зеленое водородное топливо из источников чистой воды, это новое устройство работает от источников загрязненной или морской воды и в то же время может производить чистую питьевую воду.
Испытания устройства показали, что оно способно производить чистую воду из сильно загрязненной воды, морской воды и даже из реки Кэм в центре Кембриджа.
«Объединить производство солнечного топлива и очистку воды в одном устройстве сложно», — сказал доктор Чанон Порнрунгрой из химического факультета Кембриджа имени Юсуфа Хамиеда, соведущий автор статьи. «Расщепление воды с помощью солнечной энергии, при котором молекулы воды расщепляются на водород и кислород, должно начинаться с абсолютно чистой воды, поскольку любые загрязнения могут отравить катализатор или вызвать нежелательные химические побочные реакции».
«В отдаленных или развивающихся регионах, где чистой воды относительно мало, а инфраструктура, необходимая для ее очистки, недоступна, расщепление воды чрезвычайно сложно», — сказал соавтор Ариффин Мохамад Аннуар. «Устройство, которое могло бы работать на загрязненной воде, могло бы решить две проблемы одновременно: оно могло бы расщеплять воду для получения чистого топлива и производить чистую питьевую воду».
Порнрунгрой и Мохамад Аннуар, оба члены исследовательской группы профессора Эрвина Рейснера, придумали конструкцию, которая сделала именно это. Они поместили фотокатализатор на наноструктурированную углеродную сетку, которая является хорошим поглотителем света и тепла, генерируя водяной пар, используемый фотокатализатором для создания водорода. Пористая углеродная сетка, обработанная для отталкивания воды, помогала фотокатализатору плавать и защищала его от воды внизу, чтобы загрязнения не мешали его работе.
Кроме того, новое устройство использует больше энергии Солнца.
«В процессе производства солнечного топлива с использованием света используется лишь небольшая часть солнечного спектра — большая часть спектра остается неиспользованной», — сказал Мохамад Аннуар.
Команда использовала белый слой, поглощающий УФ-излучение, поверх плавающего устройства для производства водорода путем расщепления воды. Остальной свет солнечного спектра передается на нижнюю часть устройства, где вода испаряется.
«Таким образом, мы лучше используем свет — мы получаем пар для производства водорода, а остальное — водяной пар», — сказал Порнрунгрой. «Таким образом, мы действительно имитируем настоящий лист, поскольку теперь мы можем включить процесс транспирации».
Устройство, которое сможет одновременно производить чистое топливо и чистую воду, используя только солнечную энергию, может помочь решить энергетический и водный кризисы, с которыми сталкиваются многие части мира. Например, по данным Всемирной организации здравоохранения, загрязнение воздуха в помещениях, вызванное приготовлением пищи с использованием «грязных» видов топлива, таких как керосин, является причиной более трех миллионов смертей ежегодно. Вместо этого приготовление пищи с использованием зеленого водорода может помочь значительно сократить это число. А 1,8 миллиарда человек во всем мире по-прежнему не имеют дома безопасной питьевой воды.
«Это очень простая конструкция: всего за несколько шагов мы можем создать устройство, которое будет хорошо работать с водой из самых разных источников», — сказал Мохамад Аннуар.
«Он очень толерантен к загрязняющим веществам, а плавающая конструкция позволяет субстрату работать в очень мутной или мутной воде», — сказал Порнрунгрой. «Это очень универсальная система».
«Наше устройство по-прежнему является доказательством принципа, но именно такие решения нам понадобятся, если мы собираемся развивать по-настоящему замкнутую экономику и устойчивое будущее», — сказал Райснер, возглавлявший исследование. «Климатический кризис и проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды и здоровьем, тесно связаны, и разработка подхода, который мог бы помочь решить обе эти проблемы, изменила бы правила игры для очень многих людей».