Инновационные "лёгкие" превратят воду в экологически чистое топливо

Команда инженеров из Стэнфордского университета разработала устройство, которое превращает воду в топливо благодаря электрокаталитическому механизму, позаимствованному у природы. Речь идёт об имитации лёгких млекопитающих.

Специалисты отмечают, что "акт дыхания" людей и животных кажется довольно простым, но на самом деле это одна из самых сложных и совершенных систем двустороннего газообмена, встречающихся в природе.

При каждом вдохе воздух поступает в крошечные – диаметром не более миллиметра – "проходы" под названием бронхиолы. Это конечные ветви бронхиального дерева, которые переходят в альвеолярные ходы. По ним воздух поступает в альвеолы – структуры в форме "мешочков", составляющие респираторные отделы лёгких. Далее происходит газообмен с лёгочными капиллярами: мембрана извлекает кислород из воздуха и отправляет его в кровоток.

При этом, благодаря своему уникальному устройству, лёгочные альвеолы отталкивают молекулы воды изнутри и притягивают их на наружной поверхности. Это предотвращает образование пузырьков газа, которые были бы губительны для организма.

Учёные предположили, что такой природный "приём" можно использовать для получения водородного топлива (образование пузырьков снижает эффективность газообмена и, как следствие, увеличивает стоимость получаемого топлива).

Напомним, что водород – экологически чистый источник энергии. При соединении с кислородом мы получаем дешёвое электричество, которое к тому же "не обременено" различными парниковыми газами (в отличие от сжигания ископаемого топлива, единственным побочным продуктом выработки тока является вода).

Однако проблема в том, что на Земле чистый водород встречается редко. Его необходимо выделять (например, из доступной в большом количестве воды). Но достаточно эффективной методики учёные пока не разработали.

В ходе новой работы специалисты улучшили производительность системы для получения водорода, создав инновационный электрокатализатор. Он похож на лёгкие и увеличивает скорость химической реакции распада воды на кислород и водород на электродах.

Новое устройство представляет собой "мешок" из полиэтиленовой плёнки толщиной порядка 12 нанометров. Его наружную поверхность покрывают крошечные водоотталкивающие поры, а слой из наночастиц золота и платины выстилает внутреннюю часть.

В ходе экспериментов исследователи помещали такие "лёгкие" в воду и подавали напряжение, чтобы молекулы воды распадались на составляющее части – водород и кислород.

При этом происходит сразу два процесса.

Первый из них аналогичен выдоху. Это механизм расщепления молекул воды для производства газообразного водорода и кислорода. Газообразный кислород (наряду с газообразным водородом) быстро производится и транспортируется через полиэтиленовую мембрану без образования пузырьков.

Второй процесс похож на вдох и обеспечивает выработку энергии посредством реакции "поглощения кислорода".

Разработчики отмечают, что конструкция в виде "мешка" увеличивает эффективность производства энергии на 32% по сравнению с показателями такой же по составу, но плоской плёнки. Это связано с тем, что уникальная альвеолярная конфигурация сводит к минимуму образование пузырьков, а это фактор, как мы уже писали выше, снижает эффективность производства энергии.

Авторы полагают, что уже сейчас, на ранних этапах разработки этой технологии, она выглядит многообещающей. Тончайшая наномембрана остаётся гидрофобной дольше, чем мембраны на основе углерода, которые используются сегодня. Такое преимущество позволяет увеличить показатель плотности тока.

В ходе экспериментов было показано, что "лёгкие" сохраняют до 97% своей каталитической активности в течение 250 часов. Тем временем активность углеродной мембраны снижается до 74% всего за 75 часов.

Впрочем, прежде чем технология станет коммерчески доступной, исследователи планируют её дополнительно усовершенствовать.

Поскольку полиэтиленовая наномембрана представляет собой плёнку на полимерной основе, она не может выдерживать температуры выше ста градусов по Цельсию, а это может ограничить её применение. Инженеры подбирают иной материал для создания пористых мембран, который будет способен "пережить" ещё больший нагрев.

Кроме того, учёные попытаются включить в устройство другие электрокатализаторы, чтобы изучить "каталитический потенциал" новой технологии.

"Структура, имитирующая дыхание, может сочетаться со многими другими современными электрокатализаторами, и дальнейшее исследование трёхфазного электрода "газ-жидкость-твёрдое вещество" открывает большие возможности для катализа", – поясняет один из ведущих авторов работы Цзюнь Ли (Jun Li).

Новая разработка, как и другие подобные технологии, позволит снизить стоимость водородного топлива, которое уже сегодня используются для питания самолётов, беспилотников, поездов и автомобилей.

Более подробно об этом исследовании рассказывается в статье, опубликованной в издании Joule

Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали об искусственном солнце, которое поможет в получении водородного топлива, и о том, как в будущем можно будет заправить машину банкой из-под газировки.