Самым нужным ресурсом в мире является энергия, получаемая из различных источников и используемая в самых разных отраслях жизни человека. Ископаемые ресурсы, которые и по сей день используются для генерации энергии, обладают рядом недостатков, от негативного влияния на экологию до их неминуемой исчерпаемости. В попытках разработать новые источники энергии особое внимание заслуживает «зеленый» водород. Для получения водорода обычно используется окисление воды, но вот электроокисление мочевины может стать куда более энергетически выгодным вариантом. Проблема в том, что данный метод требует дорогих реагентов мочевины, а кинетика реакции крайне медленная. Потому ученые из Аделаидского университета (Австралия) разработали новую систему, использующую обыкновенную мочу в качестве сырья. Как именно работает данная система, и насколько она эффективна? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Сокращение потребления электроэнергии и минимизация использования благородных металлов являются ключевыми приоритетами для снижения общей стоимости производства водорода (H₂) путем электролиза воды. Широко изученная стратегия достижения этих целей включает разработку экономически эффективных электрокатализаторов, которые снижают перенапряжение для расщепления воды. Тем не менее энергосберегающий потенциал этого подхода по-прежнему ограничен высоким термодинамическим барьером реакции выделения кислорода (OER от oxygen evolution reaction). Для устранения этого ограничения перспективным способом является замена анодной OER другими термодинамически выгодными реакциями окисления с участием обильных реагентов. Мочевина, как носитель водорода, имеет более низкий термодинамический барьер разложения, чем вода, что делает реакцию окисления мочевины (UOR от urea oxidation reaction) многообещающей альтернативой OER для энергосберегающего производства водорода. В настоящее время UOR в основном использует щелочные условия с катализаторами на основе никеля (Ni) и чистым раствором мочевины. Однако, поскольку мочевина ценна как удобрение, а процесс ее промышленного производства связан с выбросами углерода, использование чистой мочевины в качестве сырья для электроокисления не является ни экономичным, ни соответствующим намерению производства «зеленого водорода». Кроме того, из-за конкуренции OER при высоком потенциале, энергосберегающий потолок UOR заметно снижается при работе с большим током на катализаторах на основе Ni. Поэтому, учитывая рыночную цену мочевины и требуемое напряжение с помощью технико-экономического анализа (TEA от techno–economic analysis, 1a), использование чистой мочевины для UOR нецелесообразно, и этот метод вряд ли конкурирует с электролизом воды по экономичному производству H₂.


Изображение №1

Единственный жизнеспособный путь для проведения UOR для экономичного производства H₂ требует бесплатного и обильного источника мочи в качестве сырья. Тем не менее помимо достаточного количества мочевины (~167−583 мМ), моча человека содержит магний (Mg²⁺, ~2.1−11.2 мМ), кальций (Ca²⁺, ~1.7 мМ) и ионы хлора (Cl⁻, ~40−224 мМ). Эти дополнительные компоненты отрицательно влияют на щелочной UOR, образуя осадки или отравляя катализаторы. В частности, относительно большое количество ионов Cl⁻ в моче вызовет реакцию выделения хлора (ClER от chlorine evolution reaction) при промышленной эксплуатации тока, что приведет к необратимой коррозии электрода и электролизера. Более того, мочевина в основном преобразуется во вредоносный нитрит (NO₂⁻) при катализируемом Ni UOR. Из-за более легкого восстановления NO₂⁻, чем воды, NO₂⁻ будет мигрировать к катоду под действием электрического поля, чтобы конкурировать с реакцией выделения водорода, что приведет к снижению эффективности тока производства водорода (1b). Все это неизбежно и серьезно ограничивает перспективы щелочного UOR. Поэтому разработка новых систем для решения этих проблем и продвижения энергосберегающего электролиза мочи имеет большое значение для производства H₂.

Используя низкий термодинамический равновесный потенциал Cl⁻/Cl₂, кислотный электролиз мочи предлагает возможность избежать образования NO₂⁻ посредством запуска окисления мочевины с участием Cl₂ (6Cl⁻ → 3Cl₂+6e⁻; 3Cl₂+CO(NH₂)₂+H₂O → CO₂+N₂ + 6HCl) и в теории способствует снижению общего потенциала для производства H₂ (1c). Однако из-за ограничения массопереноса это непрямое окисление мочевины в присутствии Cl₂ демонстрирует вялую кинетику и потенциальную коррозию, что приводит к низкой плотности тока и плохой стабильности электролиза мочи (< 50 мА/см², 1d). Такая низкая производительность не удовлетворяет требованиям промышленного масштаба, серьезно увеличивая стоимость производства водорода (1e), что требует улучшения путем разработки механизма реакции с альтернативными промежуточными продуктами и ускоренной кинетикой.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают кинетический путь Cl–опосредованного UOR (обозначаемый как Cl–UOR) для экономически эффективного производства водорода. В отличие от медленного механизма непрямого окисления, включающего генерацию и участие Cl₂, было показано, что Cl–UOR может быть ускорен на поверхности Pt путем прямого связывания адсорбированного Cl (Cl_ads) с адсорбированной мочевиной с образованием N–хлормочевины, которая затем преобразуется в N₂ посредством межмолекулярного связывания N–N с помощью *OH (1f). Этот путь/механизм окисления, опосредованный Cl, в электролизе мочи позволяет избежать образования Cl₂, способствуя повышению производительности этого процесса. По сравнению с электролизом мочевины на основе Ni (5.62 кВт·ч/Нм³) и электролизом воды (4.98 кВт·ч/Нм³ в щелочи и 4.70 кВт·ч/Нм³ в кислоте), оптимизированный электролиз мочи с Pt-катализатором показывает самое низкое значение 4.05 кВт·ч/Нм³ при операциях 300 мА·ч/см², демонстрируя заметное снижение затрат электроэнергии для производства H₂ в практическом электролизере.

Результаты исследования

Изображение №2

Первым делом была проведена оценка разницы между чистой мочевиной и имитированной мочой в качестве добавок во время электролиза как в щелочных, так и в кислотных электролитах в газонепроницаемой ячейке типа H с двухэлектродной конфигурацией.

Имитированная моча была приготовлена путем добавления соответствующих солей металлов с указанными концентрациями в раствор мочевины (2a). Ni-пена (NF) и Pt/C были выбраны в качестве электродов для щелочного и кислотного электролиза, поскольку они обычно использовались в предыдущих исследованиях электроокисления мочевины. Результаты вольтамперометрии с линейной разверткой (LSV от linear sweep voltammetry) показывают, что NF демонстрирует повышенную плотность тока от потенциала 1.3 В в содержащем чистую мочевину 1M KOH, демонстрируя хорошую активность в отношении электроокисления мочевины (2b). Однако после замены чистой мочевины на имитированную мочу активность NF заметно снижается при высоких потенциалах с очевидным спадом тока в течение 1 часа теста (2b). Аналогичное поведение наблюдается также для высокоактивного Ni(OH)₂/NF электрода, что указывает на то, что Cl⁻ в имитированной моче неизбежно разъедает катализаторы на основе Ni при высоких потенциалах, тем самым приводя к потере активности во время UOR.

Напротив, электроокисление чистой мочевины или имитированной мочи в кислоте, катализируемое Pt/C, показывает противоположные результаты. Не наблюдается заметного увеличения тока для Pt/C в 0.5M H₂SO₄ при добавлении чистой мочевины, в то время как заметное увеличение тока регистрируется после замены мочевины имитированной мочой. По сравнению с NF активность Pt/C для UOR с имитированной мочой в качестве добавки в 0.5M H₂SO₄ может достигать 118.9 мА/см² при 2 В, что примерно в 13 раз выше, чем с чистой мочевиной в качестве добавки, и хорошо сохраняется в течение 1 часа тестов (2c). Все эти результаты демонстрируют ограничения производительности катализаторов на основе Ni для производства водорода посредством электролиза мочи, в отличие от улучшения, наблюдаемого в процессе, катализируемом Pt/C.

Для исследования основных факторов повышения UOR в имитированной моче, эффекты различных ионов, присутствующих в имитированной моче, на производительность UOR для Pt/C оценивались индивидуально. Как показано на 2d, за исключением Cl⁻, присутствие других ионов в моче не оказывает заметного влияния на активность Pt/C в UOR в кислых условиях, подтверждая, что Cl⁻, присутствующий в моче, играет решающую роль в продвижении UOR.

Затем было исследовано влияние кислых условий (pH) на улучшение UOR для Pt/C. По-видимому, по мере того, как электролит смещался от щелочного или нейтрального к кислому, активность UOR заметно увеличивалась. Хотя небольшое снижение активности наблюдалось в слабокислых условиях (pH 1 или 2), катализируемый Pt UOR все еще сохранял энергосберегающие преимущества с более высокой плотностью тока, чем катализируемый IrO₂ OER при высоких потенциалах. Это открытие предполагает, что слабокислые электролиты (pH 1 или 2) являются перспективными для практического электролиза мочи, уравновешивая производительность с инженерной осуществимостью для энергоэффективного производства водорода.

Кроме того, контролируемый эксперимент по энзимолизу показал, что подкисленная моча может предотвращать ферментативный гидролиз мочевины, поддерживая стабильную концентрацию мочевины во время хранения, в отличие от неподкисленной мочи (2e). Следовательно, активность UOR в подкисленной хранимой моче оставалась высокой, сопоставимой с наблюдаемой для свежей мочи, в то время как неподкисленная хранимая моча показала незначительную активность UOR (2f). Все эти результаты демонстрируют ключевую роль присутствующего Cl⁻ и кислотных условий в усилении катализируемого Pt окисления мочевины для производства водорода.


Изображение №3

Для исследования возможного пути электролиза мочи в кислоте, катализируемого Pt, была проведена дифференциальная электрохимическая масс-спектрометрия (DEMS от differential electrochemical mass spectrometry) in situ с контролируемыми добавками. Обнаруженный сигнал для Cl₂ постепенно увеличивается при -1.35 В по сравнению с RHE (V_RHE) в KCl, содержащемся в электролите (0.5M H₂SO₄), что указывает на запущенный ClER. Однако при добавлении мочевины в этот электролит ранее наблюдаемый Cl₂ исчезает, и видны увеличенные сигналы CO₂ и N₂ при 1.5 V_RHE (3a). Что еще более важно, контролируемое циклическое вольтамперометрическое сканирование (CV от cyclic voltammetry) в диапазонах равновесного потенциала для ClER (1.36 V_RHE) показывает, что помимо пика восстановления Cl₂, пик десорбции Cl_ads в специальном диапазоне сканирования также исчезает, как только мочевина дополнительно подается в электролит (3b). Все эти результаты указывают на то, что Cl_ads служит активным медиатором помимо Cl₂ для Cl–UOR на Pt.

УФ-видимые спектры дополнительно демонстрируют, что N-хлормочевина и N, N’-дихлормочевина образуются как жидкие продукты во время Cl-UOR в зависимости от приложенного потенциала. Более того, в растворе после Cl-UOR в течение 1 часа не было обнаружено значительных свободных видов Cl (радикалы Cl, Cl₂ и HClO), что указывает на снижение ClER в исследуемой системе. Потенциальная зависимость фарадеевских эффективностей (FE от Faradaic efficiency) для каждого продукта, полученного в NF–катализируемом щелочном UOR и Pt–катализируемом кислотном Cl–UOR после 1 часа электролиза, суммирована на 3c и 3d. Как и ожидалось, N–хлормочевина преобладает в качестве основного продукта при низком потенциале, в то время как она постепенно заменяется N₂ по мере увеличения потенциала для Pt–катализируемого кислотного Cl–UOR. По сравнению с UOR на NF, FE N₂ для Cl–UOR на Pt/C достигает максимума 73.1% при 1.9 V_RHE (3c, 3d), демонстрируя преимущество кислотного Cl–UOR на Pt, который способствует превращению мочевины в N₂.

Зависящие от времени изменения активности, реагентов и продуктов были дополнительно исследованы для Cl–UOR при 1.8 V_RHE (3e). Было замечено, что плотность тока постепенно уменьшалась во время электролиза, что можно отнести к потреблению мочевины и Cl⁻ в растворе. Однако, в отличие от результатов 1-часового электролиза, концентрация свободного Cl в растворе увеличивалась при длительном электролизе. В частности, когда концентрация мочевины уменьшалась до 0.074 M, концентрация свободного Cl демонстрировала заметный рост.

Этот результат подчеркивает конкуренцию между UOR и ClER, где ClER станет более доминирующим по мере истощения мочевины. Поэтому для долгосрочного электролиза крайне важно принять соответствующие стратегии, такие как своевременное пополнение или замена электролита свежей мочой, чтобы подавить ClER и обеспечить эффективность Cl–UOR.


Изображение №4

Чтобы получить глубокое понимание Cl–UOR на Pt, катализатор RuO₂ был выбран для сравнения из-за его высокой активности в ClER. В отличие от наблюдаемого повышения активности на Pt/C, активность Cl–UOR на RuO₂ была намного ниже по сравнению с ClER (4a), что свидетельствует об уникальности Pt в усилении процесса Cl–UOR.

Кинетические исследования проводились путем корреляции концентрации Cl (C_Cl⁻) с активностью. Как показано на 4b, зависимость C_Cl⁻ от активности Cl–UOR очевидна на RuO₂ с линейным наклоном 1.25, тогда как на Pt она равна нулю, что указывает на измененную кинетику Cl–UOR на Pt по сравнению с RuO₂. Примечательно, что наклон линейной зависимости между активностью C_Cl⁻ и Cl–UOR аналогичен наклону для ClER на RuO₂, демонстрируя, что Cl–UOR на RuO₂ следует процессу окисления с участием Cl₂.

Тем не менее ситуация на Pt/C более сложная и показывает две стадии (4c). Когда C_Cl⁻ ниже 0.5 M, зависимость активности является линейной как для Cl–UOR, так и для ClER с наклоном 0.65 и 0.78 соответственно. Однако, когда C_Cl⁻ увеличивается более 0.5 M, наклон линейной активности ClER сохраняется, в то время как он приближается к нулю для Cl–UOR. Измененная корреляция, наблюдаемая для этих реакций с C_Cl⁻, демонстрирует, что этап определения скорости (RDS от rate determining step) для Cl–UOR на Pt/C не включает вызванную Cl⁻ генерацию Cl₂. Что еще более важно, по сравнению с ClER, активность Cl–UOR меньше зависит от массопереноса Cl⁻, в то время как она, по-видимому, меняется с концентрацией мочевины, следуя вулканическому тренду на Pt/C, что еще раз подтверждает важную роль мочевины в кинетике Cl–UOR вместо C⁻ в растворе. Поэтому предполагается, что мочевина одновременно адсорбируется на поверхности Pt, соединяясь с Cl_ads, тем самым ускоряя кинетику Cl–UOR.

Чтобы проверить это предположение, мы исследовали осаждение водорода при пониженном потенциале (H_UPD) на Pt/C. По сравнению с CV Pt/C в 0.5 M H₂SO₄, присутствие мочевины или Cl⁻ вызывает уменьшение заряда H_UPD (4d). Кроме того, увеличение потенциала адсорбции OH⁻ наблюдается в присутствии мочевины или Cl⁻ в растворе. Все эти результаты свидетельствуют об адсорбции мочевины и Cl на поверхности Pt. Более того, в спектрах рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS от X–ray photoelectron spectroscopy) идентифицирована дополнительная пара пиков, принадлежащих органическим видам Cl (N–хлормочевина), которые увеличиваются с приложенным потенциалом после реакции в электролите, смешанном с KCl/мочевиной, по сравнению с наблюдаемыми только в электролите KCl (4e). Поскольку выбранный потенциал реакции (1.3 V_RHE) для теста XPS не запускал ClER (4e), органические виды Cl, возникающие в результате реакции Cl₂ с мочевиной, были здесь исключены, тем самым подтверждая связь адсорбированной мочевины с Cl_ads.

Кроме того, эксперимент по тушению третичным бутанолом демонстрирует, что радикалы Cl не генерируются и не участвуют в окислении мочевины в диапазоне потенциалов, используемых во время Cl–UOR. Все эти результаты подтверждают нашу гипотезу о том, что реакция Cl–UOR, инициированная на Pt/C, следует быстрому процессу окисления, в котором мочевина и Cl одновременно адсорбируются на поверхности Pt, подвергаясь прямому связыванию (4g), что отличается от медленного косвенного окисления с участием Cl₂ на RuO₂ (4f).


Изображение №5

Для дальнейшего выяснения основной причины повышения конверсии мочевины в N₂ на Pt/C была оценена потенциал-зависимая адсорбция промежуточных продуктов во время Cl–UOR с помощью in situ спектроскопии поглощения в инфракрасной области с использованием ослабленного полного внутреннего отражения (ATR–IRAS от attenuated total reflectance infrared absorption spectroscopy). Как показано на 5a, валентные колебания C–N и пики колебаний C=O при -1475/см и ~1686/см увеличиваются соответственно с приложенным потенциалом от 1.3 V_RHE до 1.5 V_RHE, демонстрируя, что мочевина адсорбируется в N–концевой конфигурации на поверхности Pt и постепенно расходуется в пределах диапазона потенциалов с образованием N–хлормочевины.

В резком контрасте, как только потенциал увеличился до 1.5 V_RHE, пик колебаний C=O изменился на противоположный и сместился до ~1656/см, появился новый пик колебаний OH⁻ при -3490/см, свидетельствующий о том, что N–хлормочевина и *OH начали адсорбироваться на поверхности Pt через O–концевую конфигурацию. Это открытие коррелирует с выявленным образованием N₂ при 1.5 V_RHE, предполагающий изменение пути реакции Cl–UOR из-за потенциально-индуцированного изменения локальной среды, что является ключом к преобразованию мочевины в N₂.

Соответственно, in situ рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS от X–ray absorption spectroscopy) использовалась для оценки валентных состояний и изменения координационного окружения Pt во время Cl–UOR. Анализ вейвлет-преобразования вместе со спектрами Pt показывает заметный переход в первичном пике рассеяния от Pt–Pt к Pt–Cl и Pt–O с ростом потенциала от потенциала разомкнутой цепи (OCP от open circuit potential) до 1.6 V_RHE во время Cl–UOR (5b), демонстрируя динамическое изменение координационной структуры Pt в ходе Cl–UOR. Координационные числа (CN от coordination number) связей Pt–Pt и Pt–O показывают последовательное уменьшение и увеличение с приложенным потенциалом, соответственно, в то время как число связей Pt–Cl демонстрирует вулканическую тенденцию (5c). В частности, увеличение CNPt–O видно вместе с уменьшением CNPt–Cl до нуля выше 1.5 V_RHE во время Cl–UOR, и остается почти постоянным даже при потенциале, возвращающемся обратно к OCP (5c). Это очевидное изменение CNPt–O и CNPt–Cl близко соответствует возникающей полосе адсорбции OH⁻ при 1.5 V_RHE на спектре FTIR, демонстрируя уменьшение покрытия Cl_ads из-за окисления Pt адсорбированным OH⁻. Учитывая это открытие, первоначальный шаг, на котором Cl_ads объединялся с адсорбированной мочевиной, был ограничен, вместо этого заменен адсорбированным *OH, взаимодействующим с Cl⁻ из раствора для получения HclO. Таким образом, все эти результаты указывают на то, что HClO становится основным медиатором в Cl–UOR выше 1.5 V_RHE, что играет важную роль в производстве N₂ из мочевины.

Мочевина, меченная изотопом N, была далее использована для отслеживания процесса связывания N–N генерации N₂ во время Cl–UOR. Как показано на 5d, при использовании смеси мочевины ¹⁴N (90%) и мочевины ¹⁵N (10%) в качестве реагента для теста Cl–UOR, на DEMS были обнаружены только сигналы ¹⁴N¹⁵N и ¹⁴N¹⁴N, в то время как явного сигнала ¹⁵N¹⁵N не появилось. Это демонстрирует, что межмолекулярное связывание N–N является основным путем генерации N₂ во время Cl–UOR. Более того, контролируемое электроокисление с использованием аналогов мочевины показывает, что активность 1,1–N,N–диметилмочевины на Pt/C выше 1.5 V_RHE выше, чем у 1,3–N,N–диметилмочевины (5e), демонстрируя, что первичный аминный фрагмент имеет решающее значение для повышения активности при высоком потенциале, что является необходимым условием для межмолекулярного связывания N–N. Кроме того, аммиак показал гораздо более низкую активность при высоком потенциале по сравнению с мочевиной, исключая возможность межмолекулярного связывания N–N аммиака из-за гидролиза мочевины во время Cl–UOR (5e), и свидетельствуя о расщеплении C–N для высвобождения N₂ и CO₂, происходящем после этапа межмолекулярного связывания N–N.

На основании вышеприведенного анализа предлагается весь механизм для усиленного Cl–UOR на Pt/C (5f). При низком потенциале мочевина адсорбируется через N–концевую конфигурацию на поверхности Pt в сопровождении Cl_ads, что приводит к быстрой кинетике образования N–хлормочевины посредством прямого связывания. С увеличением потенциала из-за поверхностного окисления Pt *OH начинает адсорбироваться на поверхности выше 1.5 V_RHE. Это измененное поведение адсорбции приводит к образованию HClO в качестве окислительно-восстановительного медиатора, облегчающего окисление N–хлормочевины в N,N’–дихлормочевину. По мере увеличения покрытия N,N’–дихлормочевины на поверхности Pt спонтанно запускается межмолекулярная связь N–N, приводящая к образованию N₂ и CO₂ с помощью *OH посредством разрыва связи C–N, тем самым обеспечивая преобразование мочевины в N₂.


Изображение №6

Чтобы оценить жизнеспособность катализируемого Pt Cl–UOR в качестве альтернативы OER для производства водорода, ученые собрали проточный электролизер, используя углеродную ткань (CC от carbon cloth), загруженную Pt/C, как в качестве анода, так и катода, разделенную диафрагмой из полифениленсульфида (PPS от polyphenylene sulfide) (6a). Соответственно, два типа электролизеров воды, имеющих тот же режим сборки, что и коммерческий катализ, были реализованы для сравнения (6b). Чтобы снизить стоимость используемого катализатора, здесь для электролиза применялось меньшее количество катализаторов. Как показано на 6c, наряду с увеличением приложенного потенциала, катализируемый Pt электролиз имитированной мочи показал заметное повышение плотности тока для производства водорода по сравнению как с электролизом кислой, так и щелочной воды. Более того, наблюдалась гораздо более высокая стабильность, обеспечивающая стабильную работу в течение 210 часов при плотности тока 10 мА/см² для производства водорода (средняя FE 98.5%), значительно превосходящая электролиз кислой воды в тех же условиях (6d).

Кроме того, было проведено сравнение электролиза мочи, катализируемого Pt, с другими типичными системами электролиза мочевины (мочи), использующими Ni(OH)₂ или RuO₂ в качестве анодных катализаторов. Для удовлетворения промышленных требований к крупномасштабному производству водорода температура электролиза была повышена до 60 °C. В результате электролиз мочи, катализируемый Pt, был дополнительно улучшен при 60 °C, достигнув плотности тока 341.4 мА/см² при 2 В, что в 1.15 и 1.54 раза выше, чем у электролиза мочевины, катализируемого Ni(OH)₂, и электролиза мочи в щелочи.


Изображение №7

Это значение соответствует требованиям промышленного электролиза, а также выше по сравнению с электролизом воды, электролизом мочи, катализируемым RuO₂ (7a), подчеркивая энергосберегающее преимущество исследуемой системы и ее практический потенциал для производства водорода. В частности, можно достичь более высокой активности, например, ~531.7 мА/см², настраивая концентрацию Cl⁻ до 0.5 М посредством дополнительного введения солевого раствора во время электролиза мочи, катализируемого Pt, что дополнительно доказывает его применимость для промышленных операций (7a).

Кроме того, Pt продемонстрировал повышенную стабильность, поддерживая среднее напряжение ячейки -2.23 В во время электролиза имитации мочи в течение более 20 часов работы и 10 циклов при 300 мА/см² (7b), тогда как Ni(OH)₂ и RuO₂ показали серьезный спад активности в течение 2 часов в соответствующих электролитах, приписываемый коррозии Cl₂.

Из-за высокой FE N₂ в катализируемом Pt электролизе имитированной мочи, снижение эффективности тока, вызванное NO₂⁻, во время производства H₂ в щелочном электролизе на основе Ni, значительно смягчено. Следовательно, H₂ FE для электролиза имитированной мочи с использованием Pt-катализатора заметно улучшается и демонстрирует значение ~94%, что превышает ~85% для Ni(OH)₂ в щелочных условиях (7b). Такое производство H₂ в сопровождении N₂ при электролизе имитированной мочи с использованием Pt-катализатора устраняет риски взрыва, связанные с переходом O₂ в традиционном электролизе воды, и обеспечивает высокую чистоту водородного продукта (> 99.9%), что способствует безопасному производству и деградации зеленой мочевины.

Помимо оценки электролиза имитированной мочи, система электролиза далее работала, используя сырую мочу в качестве сырья. Чтобы минимизировать загрязнение электродов органическими веществами во время электролиза, образцы сырой мочи были стабилизированы кислотой и предварительно обработаны фильтром с PTFE мембраной (0.22 мкм) для удаления органических примесей и макромолекул. Как показано на 7d, изменения активности Cl–UOR наблюдались в разных партиях образца сырой мочи, что объясняется различиями в концентрациях эффективных компонентов (Cl⁻ и мочевины) на основе уровней потребления пищи (7c). Когда человек потреблял меньше воды и больше соли для контроля метаболизма, активность Cl–UOR полученной мочи (образец 4) заметно увеличивалась, достигая уровней, сопоставимых с наблюдаемыми для имитированной мочи (7d). Аналогичного результата можно достичь, добавив недорогую крупную соль к сырой моче (обозначенной как Образец 1, 0.2 М Cl⁻), что демонстрирует важную роль Cl⁻ в моче для усиления Cl–UOR. Более того, при температуре тестирования 60 °C сырая моча обеспечивала высокую активность Cl–UOR, сравнимую с полученной для имитированной мочи (7e). Все эти результаты дополнительно подтверждают жизнеспособность исследуемой системы в практическом применении.

Расход электроэнергии и энергоэффективность (EE от energy efficiency) каждой системы электролиза для производства H₂ рассчитывались на основе достигнутого FE H₂ и напряжения ячейки (7f). Впечатляюще, что электролиз мочи с использованием Pt-катализатора обеспечил заметное снижение электроэнергии и способствовал повышению EE (80.1%) при производстве H₂ при операциях 300 мА/см². Расход электроэнергии на производство H₂ достигает 4.42 кВт·ч/Нм³ и может быть даже оптимизирован до 4.05 кВт·ч/Нм³ путем увеличения концентрации Cl⁻ (7f).

Эти результаты заметно превосходят результаты электролиза мочевины для производства H₂ (5.62 кВт·ч/Нм³), а также ниже, чем у щелочного и кислотного электролиза воды (4.98 кВт·ч/Нм³ и 4.70 кВт·ч/Нм³) при той же конфигурации. Более того, оценка стоимости, основанная на цене электроэнергии и дополнительных реагентов для электролиза мочи с Pt-катализатором, показывает значительную экономическую выгоду по сравнению с другими системами электролиза, что дополнительно подтверждает ее осуществимость в конкуренции с текущими способами электролиза мочевины и воды для экономичного производства H₂.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о системе электроокисления кислой мочи для энергосберегающего производства H₂. В отличие от традиционного процесса окисления мочевины, быстрый механизм опосредованного окисления для электролиза мочи, использующий содержащийся в моче Cl⁻, демонстрирует повышенную активность и стабильность.

Электрохимические и in situ спектроскопические исследования показывают, что быстрое опосредованное окисление происходит посредством прямого связывания адсорбированной мочевины и Cl_ads с образованием N–хлормочевины, за которым следует межмолекулярное связывание N–N для высвобождения N₂. На практике оптимизированный электролиз мочи в условиях концентрированного Cl⁻ демонстрирует требуемую в промышленности плотность тока 531.7 мА/см² при 2.0 В и требует меньшего потребления электроэнергии 4.05 кВт·ч/Нм³ для производства H₂ при 300 мА/см², превосходя электролиз мочевины на основе Ni и электролиз воды.

Ученые считают, что их работа будет стимулировать будущие исследования в области прямого электролиза мочи для производства H₂ и разложения мочевины для сбережения окружающей среды.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?