Ingenjörer från University of Illinois Chicago har hjälpt till att utforma en ny metod för att framställa vätgas från vatten med hjälp av enbart solenergi och jordbruksavfall, som gödsel eller skal. Metoden minskar den energi som behövs för att utvinna vätgas ur vatten med 600%, vilket skapar nya möjligheter för hållbar och klimatvänlig kemikalieproduktion.
Vätgasbaserade bränslen är en av de mest lovande källorna till ren energi. Men att producera ren vätgas är en energiintensiv process som ofta kräver kol eller naturgas och stora mängder elektricitet.
I en artikel i Cell Reports Physical Science presenterar ett multi-institutionellt team under ledning av UIC-ingenjören Meenesh Singh en ny process för grön vätgasproduktion.
Metoden använder ett kolrikt ämne som kallas biokol för att minska mängden elektricitet som behövs för att omvandla vatten till vätgas. Genom att använda förnybara energikällor som solkraft eller vind och ta tillvara biprodukter för andra användningsområden kan processen minska utsläppen av växthusgaser till netto noll.
”Vi är den första gruppen som visar att man kan producera vätgas med hjälp av biomassa på en bråkdel av en volt”, säger Singh, docent vid institutionen för kemiteknik. ”Det här är en teknik som kommer att förändra mycket.”
Elektrolys, processen där vatten delas upp i väte och syre, kräver en elektrisk ström. I industriell skala krävs vanligtvis fossila bränslen för att generera denna elektricitet.
Nyligen har forskare minskat den spänning som krävs för vattendelning genom att införa en kolkälla i reaktionen. Men även denna process använder kol eller dyra kemikalier och släpper ut koldioxid som en biprodukt.
Singh och hans kollegor modifierade processen för att istället använda biomassa från vanliga avfallsprodukter. Genom att blanda svavelsyra med jordbruksavfall, animaliskt avfall eller avloppsvatten skapar de en slamliknande substans som kallas biokol och som är rik på kol.
Teamet experimenterade med olika typer av biokol som tillverkades av sockerrörsskal, hampavfall, pappersavfall och kogödsel. När alla fem biokolssorterna tillsattes i elektrolyskammaren minskade den effekt som krävdes för att omvandla vatten till vätgas. Bäst gick det för kogödsel, som sexfaldigade elbehovet till ungefär en femtedel av en volt.
Energibehovet var tillräckligt lågt för att forskarna skulle kunna driva reaktionen med en vanlig kiselsolcell som genererar cirka 15 milliampere ström vid 0,5 volt. Det är mindre än den mängd ström som produceras av ett AA-batteri.
Grafiskt sammandrag. Kredit: Cell Reports Physical Science (2024). DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102013
”Det är mycket effektivt, med nästan 35% omvandling av biokol och solenergi till vätgas”, säger Rohit Chauhan, en medförfattare och postdoktor i Singhs laboratorium. ”Det här är världsrekord; det är den högsta siffran som någon har visat.”
För att processen ska bli nettonoll måste den fånga in den koldioxid som genereras av reaktionen. Men enligt Singh kan även detta ha miljömässiga och ekonomiska fördelar, t.ex. genom att man producerar ren koldioxid för att framställa kolsyrade drycker eller omvandlar den till eten och andra kemikalier som används vid plasttillverkning.
”Det diversifierar inte bara användningen av bioavfall utan möjliggör ren produktion av olika kemikalier utöver vätgas”, säger Nishithan Kani, UIC-examen och medförfattare till artikeln. ”Detta billiga sätt att tillverka vätgas kan göra det möjligt för jordbrukare att bli självförsörjande på energi eller skapa nya intäktsströmmar.”
Orochem Technologies Inc, som sponsrade forskningen, har ansökt om patent på sina processer för att producera biokol och vätgas, och UIC-teamet planerar att testa metoderna i stor skala.
Förutom Singh, Kani och Chauhan är UIC:s doktorand Rajan Bhawnani medförfattare till artikeln. Övriga medförfattare kommer från Stanford University, Texas Tech University, Indian Institute of Technology Roorkee, Korea University och Orochem Technologies Inc.
Ytterligare information: Sub-Volt Biochar-Assisted Water Electrolysis Achieves Over 80% Energy Efficiency in H2 Production, Cell Reports Physical Science (2024). DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102013. www.cell.com/cell-reports-phys … 2666-3864(24)00281-9
