Forskere ved Nanyang Technological University (NTU) i Singapore har utviklet en solcelledrevet enhet som kan produsere hydrogen fra sjøvann og samtidig rense vannet for hydrazin, et svært giftig forurensende stoff fra industrien.

Enheten kombinerer i praksis en liten solcelle, en elektrolysør og et system for behandling av avløpsvann. I forsøk produserte den hydrogen med en hastighet på 466 mikromol per kvadratcentimeter i timen, og den fungerte stabilt i mer enn 72 timer.

I et separat forsøk reduserte enheten hydrazinkonsentrasjonen i forurenset vann fra 0,5 molar – rundt 1,6 prosent etter vekt – til 0,5 deler per milliard på omtrent 30 timer. Det er mer enn 20 ganger lavere enn grensen på 10 deler per milliard som ble oppgitt fra US Environmental Protection Agency.

«This dual-function device represents a major leap forward for environmental technology. By efficiently harvesting solar energy to break down a toxic industrial pollutant while simultaneously harvesting clean fuel, we are solving both an energy problem and a pollution problem,» sier professor Lydia Wong, som er en av forskerne.

Bytter ut oksygen med nedbryting av hydrazin

Hydrogen kan produseres ved elektrolyse, der elektrisitet brukes til å splitte vannmolekyler i hydrogen og oksygen. Hydrogenet dannes ved den negative elektroden, katoden, mens oksygen vanligvis dannes ved den positive elektroden, anoden.

Sjøvann er en tilgjengelig råvare for prosessen og kan være et alternativ til ferskvann, som allerede er en knapp ressurs mange steder i verden. Samtidig inneholder sjøvann mye klorid. Det kan føre til korrosjon i elektroder og andre deler av elektrolysøren, samt uønskede reaksjoner som danner giftige klorforbindelser.

NTU-forskerne valgte derfor en annen løsning. I stedet for å bruke anoden til å produsere oksygen, utformet de den slik at den bryter ned hydrazin. En spesialkatalysator får hydrazin til å brytes ned til nitrogengass, samtidig som en sekundær reaksjon produserer ekstra hydrogen.

Forskerne opplyser at nedbrytingen av hydrazin krever betydelig mindre energi enn oksygenproduksjon ved konvensjonell elektrolyse. Dermed fjernes et giftig forurensende stoff samtidig som energibehovet for hydrogenproduksjonen ved katoden reduseres.

Katalysatoren består av jern, kobolt og krom. Denne kombinasjonen skal også gjøre anoden mer motstandsdyktig mot korrosjon og bidra til å begrense dannelsen av giftige klorforbindelser.

Solcellen er bygget inn i katoden

Også katoden er sentral i utformingen. Den er laget av blyhalidperovskitter, et halvledermateriale som absorberer lys og omdanner det til elektrisk energi. Katoden produserer dermed både hydrogen og strømmen som driver systemet.

Det gjør at enheten kan fungere uten ekstern strømforsyning. Forskerne måtte imidlertid beskytte perovskitten mot vann og det kjemisk krevende miljøet i sjøvann.

Dette ble gjort med et lag av ledende epoksy tilsatt sølv- og kobberpartikler, i tillegg til titanfolie. Folien hindrer vann i å nå den følsomme halvlederen, samtidig som elektrisk ladning kan passere. Titanet ble også dekket med et tynt platinalag for å legge til rette for hydrogenproduksjonen.

Produserte hydrogen i laboratoriet og utendørs

Forskerne testet enheten i alkaliske løsninger med både simulert sjøvann og ekte sjøvann. Hydrazin ble tilsatt, og enheten ble belyst med kunstig lys som tilsvarte solintensiteten på en klar dag.

I begge løsningene oppnådde den en fotostrømtetthet på rundt 25 milliampere per kvadratcentimeter. Forskerne beskriver dette som blant de høyeste nivåene som er rapportert for blybaserte perovskittfotokatoder, uten bruk av ekstern strøm.

Hydrogenproduksjonen lå på 466 mikromol per kvadratcentimeter i timen, og ytelsen falt ikke betydelig gjennom mer enn 72 timers drift. Forskerne bygget deretter en større versjon, der fotokatodearealet ble økt fra 0,56 til 6,25 kvadratcentimeter, for å undersøke hvor effektivt enheten kunne fjerne hydrazin fra vann.

Etter rundt 30 timer var hydrazinkonsentrasjonen redusert fra 0,5 molar til 0,5 deler per milliard. Forskerne testet også det kunstige bladet utendørs i naturlig sollys. Da observerte de bobler av hydrogen og nitrogen, noe som viste at systemet også kunne fungere uten laboratoriebelysning.

Arbeidet bygger videre på en tidligere «kunstig blad»-løsning fra forskere ved Rice University, som brukte vann og sollys til å lage hydrogen. Den nye løsningen har i tillegg funksjonen med å fjerne forurensning.

«The breakthrough here lies not simply in producing solar hydrogen but in demonstrating a practical route towards multifunctional photoelectrochemical systems. Such dual-purpose approaches are likely to play an increasingly important role in the future deployment of solar fuels technologies, where economic value and environmental impact must go hand in hand,» sier James Durrant, professor i fotokjemi og bærekraftig energi ved University of Oxford. Han deltok ikke i forskningen.

Kan ikke brukes til all elektrolyse

Resultatene betyr likevel ikke at enheten er klar til å endre hydrogenproduksjon fra sjøvann i stor skala. En viktig begrensning er at anoden er avhengig av at hydrazin er til stede for å fungere kjemisk.

Teknologien er derfor først og fremst egnet for produksjon av hydrogen fra, og behandling av, hydrazinforurenset avløpsvann. Den kan ikke uten videre brukes som et generelt system for elektrolyse av sjøvann.

Det er også spørsmål knyttet til blyinnholdet. Blyhalidperovskitter absorberer lys effektivt, men brytes ned i vann. De beskyttende lagene med ledende epoksy og titanfolie skal motvirke problemet, men det er fortsatt usikkert om materialene kan holde seg stabile og hindre lekkasje av forurensende stoffer gjennom flere års drift.

Lang vei til industriell bruk

Systemet er fortsatt på forsøksstadiet. Før industriell bruk må teknologien skaleres opp og dokumentere at den fungerer langt lenger enn 72 timer.

Forskerne peker selv på behovet for bedre holdbarhet, mer effektiv innsamling av hydrogen, oppskalering og integrasjon med eksisterende systemer. Enheten må også kunne håndtere variasjoner i kjemisk sammensetning og pH-verdi i ekte sjøvann og industrielt avløpsvann.

Forskergruppen arbeider videre med katalysatorer som kan bryte ned andre forurensende stoffer, og med løsninger som kan omdanne avfallsmaterialer til nyttige produkter som drivstoff og industrikjemikalier.