Как получать водород с 98% эффективностью и заодно полезные вещества?
Новый электрохимический процесс, разработанный в израильском Технионе, достигает 98% эффективности одновременно в производстве зеленого водорода и синтезе эпоксидов — ценных химических соединений для промышленности. Вместо бесполезного кислорода, который выделяется при обычном электролизе воды, установка генерирует вещество, которое можно продавать. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications, а авторы уже подали патентную заявку в США.
Почему зеленый водород пока дорогой
Зеленый водород получают, расщепляя воду электричеством из возобновляемых источников. Он нужен для декарбонизации химической промышленности, металлургии и тяжелого транспорта — отраслей, которые сложно перевести на прямое электричество. Однако цена такого водорода значительно выше, чем у «серого» продукта из природного газа. Основные расходы — электроэнергия, дорогие электролизеры и мембраны, разделяющие электроды. Из-за этого доля экологичного водорода на мировом рынке остается ничтожной.
Обычный электролизер выбрасывает кислород в атмосферу. Кислород сам по себе полезен, но на производственной площадке он часто не нужен в таком количестве. При этом энергия, затраченная на его образование, составляет примерно половину всей подведенной к ячейке. Ученые из Техниона решили использовать эту энергию с пользой — направить ее на образование эпоксидов.
Эпоксиды вместо бесполезного кислорода
Эпоксиды — это класс органических соединений, в которых кислород заперт в трехчленном цикле. Без них не обходятся производство полимеров, покрытий, клеев, лаков и многих лекарств. Например, оксид этилена — один из самых массовых эпоксидов — применяют для синтеза этиленгликоля, который идет на изготовление антифриза и полиэфирных волокон.
В новом процессе реакция на аноде идет не с выделением O₂, а с превращением алкена в эпоксид. По словам исследователей, эффективность достигает 98% как по водороду, так и по синтезу эпоксида. Это означает, что лишь около 2% электрического заряда теряется на нежелательные побочные реакции. Показатель плотности тока тоже внушает оптимизм: он соизмерим с параметрами промышленных электролизеров.
Технологический прорыв без мембраны
Авторы работы развивают более раннюю концепцию Профессора Авнера Ротшильда и его коллег, которые предложили разделить анодную и катодную реакции без мембраны. В классической электролизной ячейке мембрана обязательна, иначе кислород и водород смешаются. Но мембраны дороги, со временем деградируют и увеличивают сопротивление системы.
В новой конструкции это ограничение исчезло: электроды работают в едином объеме, а благодаря специальному редокс-медиатору и оптимизации растворителя удается получать разные продукты на каждом из электродов без физического барьера. Руководил этой работой доктор Гуйлин Руан под началом А. Ротшильда. Его команда уже имеет опыт коммерциализации подобных разработок: более ранняя технология мембрано-свободного электролиза легла в основу компании H2Pro. Это не первый случай, когда лабораторный успех перерастает в реальный бизнес.
Экономика процесса и реальные перспективы
Главная привлекательность нового подхода — два полезных продукта на выходе вместо одного. Вместо водорода и балластного кислорода система производит водород и эпоксид, который можно продать на химическом рынке. Это дает дополнительный экономический стимул для развития зеленой энергетики: даже если электроэнергия еще не подешевела, ценность побочного продукта покрывает часть затрат.
Однако исследователи честно отмечают: результаты пока лишь лабораторные. Для промышленного внедрения нужно проверить, как система поведет себя в длительных непрерывных циклах, при повышенных температурах и давлениях. Патентная заявка подтверждает серьезность намерений, но путь от прототипа до завода занимает годы. Поддержку проекту оказывает Европейский исследовательский совет в рамках гранта ERC, а также израильская программа Waste to Value.
Вместо кислорода в таком электролизере образуется эпоксид — полезное сырье. Ключевой вопрос экономики в том, насколько стабильно процесс работает в реальных условиях, а не только в лаборатории.
Сможет ли подобная технология в итоге снизить себестоимость водорода настолько, чтобы он без субсидий конкурировал с ископаемым топливом? Покажет только масштабирование. Но сам сдвиг мышления уже очевиден: возможно, будущее электролиза — не в получении «чистого» кислорода, который просто выпускают в воздух, а в создании рядом с водородом продукции, которая реально востребована в химической отрасли.
