Ερευνητές του Πανεπιστημίου Sharjah ανέπτυξαν μια νέα τεχνολογία που μπορεί να παράγει καθαρό καύσιμο υδρογόνου απευθείας από θαλασσινό νερό και μάλιστα σε βιομηχανική κλίμακα.
Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Small, η ομάδα ανέφερε ότι κατάφερε να εξαγάγει υδρογόνο χωρίς να αφαιρέσει τα μεταλλικά άλατα που βρίσκονται στο θαλασσινό νερό ή να προσθέσει οποιαδήποτε χημικά.
Οι ερευνητές δηλώνουν ότι η μέθοδος εξαλείφει την ανάγκη για μονάδες αφαλάτωσης, οι οποίες είναι δαπανηρές στην κατασκευή και λειτουργία, συχνά κοστίζοντας εκατοντάδες εκατομμύρια δολάρια.
Μηχανικός ηλεκτρόδιο που αντιστέκεται στη διάβρωση από θαλασσινό νερό
«Αναπτύξαμε ένα καινοτόμο, πολυστρωματικό ηλεκτρόδιο που μπορεί να εξάγει υδρογόνο απευθείας από θαλασσινό νερό αποδοτικά και βιώσιμα. Οι παραδοσιακές μέθοδοι αντιμετωπίζουν πληθώρα προβλημάτων, κυρίως διάβρωση και υποβάθμιση της απόδοσης λόγω των ιόντων χλωρίου στο θαλασσινό νερό», δήλωσε ο Dr. Tanveer Ul Haq, Επίκουρος Καθηγητής στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Sharjah και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
Η ομάδα σχεδίασε ένα εξατομικευμένο ηλεκτρόδιο που, σύμφωνα με τον Dr. Ul Haq, «αντιμετωπίζει αυτά τα προβλήματα δημιουργώντας ένα προστατευτικό και αντιδραστικό μικροπεριβάλλον που ενισχύει την απόδοση ενώ αντιστέκεται στη φθορά».
Καθώς η ανάγκη για καθαρή ενέργεια γίνεται πιο επιτακτική, το υδρογόνο έχει αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη λύση. Ωστόσο, η παραγωγή του απαιτούσε παραδοσιακά καθαρό νερό, το οποίο είναι σπάνιο σε πολλές περιοχές του κόσμου.
Αυτή η έρευνα προσφέρει μια πιθανή ανατροπή, παρουσιάζοντας μια μέθοδο για την παραγωγή υδρογόνου απευθείας από θαλασσινό νερό, αποφεύγοντας την ανάγκη για πόσιμο νερό.
«Με λίγα λόγια, αποδείξαμε ότι η άμεση ηλεκτρόλυση θαλασσινού νερού όχι μόνο είναι εφικτή, αλλά και επεκτάσιμη, προσφέροντας αποδοτικότητα βιομηχανικού επιπέδου ενώ προστατεύει το ηλεκτρόδιο κατά τη μακροχρόνια χρήση», πρόσθεσε ο Dr. Ul Haq.
Αποδοτική απόδοση σε πραγματικές συνθήκες θαλασσινού νερού
Στη μελέτη τους, οι ερευνητές περιγράφουν τη συσκευή τους ως «πολυστρωματικό ηλεκτρόδιο με μικροπεριβαλλοντικό σχεδιασμό για βιώσιμη ηλεκτρόλυση θαλασσινού νερού». Όταν βρίσκεται σε λειτουργία, η συσκευή παρέχει «γεωμετρική πυκνότητα ρεύματος 1 A cm⁻² σε πραγματικό θαλασσινό νερό με υπερδυναμικό 420 mV, χωρίς σχηματισμό υποχλωριώδους και εξαιρετική σταθερότητα λειτουργίας για 300 ώρες σε θερμοκρασία δωματίου».
Το ηλεκτρόδιο, όπως σημειώνει η μελέτη, παράγει υδρογόνο με ρυθμούς σχετικούς με τη βιομηχανία χρησιμοποιώντας ακατέργαστο θαλασσινό νερό. Σχεδόν όλη η ηλεκτρική είσοδος μετατράπηκε σε παραγωγή αερίου, επιτυγχάνοντας ηλεκτρική απόδοση (Faradaic efficiency) 98%.
«Ο προηγμένος σχεδιασμός της ανόδου επιτυγχάνει βιομηχανικά βιώσιμη πυκνότητα ρεύματος 1,0 A cm⁻² στα 1,65 V υπό τυπικές συνθήκες, σηματοδοτώντας ένα σημαντικό βήμα προς την κλιμακούμενη, χωρίς αφαλάτωση παραγωγή υδρογόνου απευθείας από θαλασσινό νερό».
Η ηλεκτρική απόδοση Faradaic μετρά την αποτελεσματικότητα με την οποία τα ηλεκτρόνια συμμετέχουν σε μια δοσμένη ηλεκτροχημική αντίδραση.
«Δημιουργήσαμε ένα προηγμένο ηλεκτρόδιο που λειτουργεί σε πραγματικό θαλασσινό νερό χωρίς να απαιτείται προεπεξεργασία ή αφαλάτωση», δήλωσε ο αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης, Yousef Haik, Καθηγητής Μηχανολογίας και Πυρηνικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Sharjah.
Σχεδιασμένο για άνυδρες περιοχές πλούσιες σε ήλιο
«Το σύστημά μας παράγει υδρογόνο με ρυθμούς σχετικούς με τη βιομηχανία – 1 αμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό – με χαμηλή ενεργειακή είσοδο. Αυτό θα μπορούσε να επαναπροσδιορίσει τον τρόπο με τον οποίο σκεφτόμαστε την παραγωγή υδρογόνου σε παράκτιες περιοχές, ειδικά σε άνυδρες χώρες όπως τα ΗΑΕ, όπου το πόσιμο νερό είναι περιορισμένο αλλά το ηλιακό φως και το θαλασσινό νερό είναι άφθονα».
Η δύναμη της τεχνολογίας έγκειται στην προηγμένη, πολυστρωματική δομή του ηλεκτροδίου, η οποία όχι μόνο αντέχει σε δύσκολες συνθήκες θαλασσινού νερού, αλλά ευδοκιμεί μέσα σε αυτές. Η συσκευή σχηματίζει «μια προστατευτική μεμβράνη μεταβορικού, που αποτρέπει τη διάλυση μετάλλων και τον σχηματισμό μη αγώγιμων οξειδίων» – μια προσέγγιση που εξαλείφει την ανάγκη για ενεργοβόρο καθαρισμό νερού.
«Αυτό παρακάμπτει την ακριβή αφαλάτωση και τον πολύπλοκο καθαρισμό νερού, καθιστώντας την παραγωγή πράσινου υδρογόνου φθηνότερη και πιο προσβάσιμη», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Mourad Smari, ερευνητικός συνεργάτης στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Μηχανικής του Πανεπιστημίου Sharjah.
Προστατευτικές μεμβράνες επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής του συστήματος
Ένα από τα πιο εντυπωσιακά χαρακτηριστικά του συστήματος είναι η μακροβιότητά του. «Λειτουργεί για πάνω από 300 ώρες χωρίς απώλεια απόδοσης, αντιστεκόμενο στη διάβρωση που συνήθως καταστρέφει παρόμοια συστήματα», είπε ο Dr. Ul Haq. Η μελέτη εξηγεί ότι το ανθρακικό στρώμα «λειτουργεί ως ηλεκτροστατική ασπίδα», προστατεύοντας τα πολλαπλά στρώματα του ηλεκτροδίου από τη διάλυση.
Σε δοκιμές απόδοσης, το ηλεκτρόδιο πέτυχε συχνότητα κύκλων 139,4 s⁻¹ στα 1,6 V, την οποία οι συγγραφείς θεωρούν μία από τις υψηλότερες που έχουν αναφερθεί για παρόμοια συστήματα.
Καθαρή ενέργεια με παράκτια κλιμάκωση
«Η πολυστρωματική αρχιτεκτονική του ηλεκτροδίου που αναπτύχθηκε σε αυτήν τη μελέτη προσφέρει μια αποτελεσματική λύση για αποδοτική απευθείας ηλεκτρόλυση θαλασσινού νερού», καταλήγει η μελέτη. «Η υπερλεπτή μορφολογία σε σχήμα νανοφύλλων, με τη μεγάλη επιφάνειά της, διευκολύνει την εκτεταμένη έκθεση και δραστηριότητα του καταλύτη, μεγιστοποιώντας τις διαθέσιμες επιφάνειες για άμεση οξείδωση θαλασσινού νερού».
Ο Dr. Ul Haq τόνισε τον πιθανό αντίκτυπο της τεχνολογίας στην καθαρή και βιώσιμη παραγωγή ενέργειας.
Από την επιτυχία του εργαστηρίου στην πιλοτική εφαρμογή
«Αυτή η τεχνολογία μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγάλης κλίμακας εργοστάσια παραγωγής υδρογόνου που χρησιμοποιούν θαλασσινό νερό αντί για πολύτιμο πόσιμο. Φανταστείτε ηλιακά εργοστάσια παραγωγής υδρογόνου κατά μήκος της ακτογραμμής των ΗΑΕ, χρησιμοποιώντας θαλασσινό νερό και ηλιακό φως για την παραγωγή καθαρών καυσίμων – με μηδενικές εκπομπές και ελάχιστη πίεση στους πόρους».
Όταν του ζητήθηκε να εξηγήσει με απλά λόγια πώς λειτουργεί ο πολυστρωματικός σχεδιασμός, ο Dr. Ul Haq είπε:
«Ο σχεδιασμός του ηλεκτροδίου με στρώματα λειτουργεί σαν ένα έξυπνο φίλτρο – επιτρέπει στο νερό να εισέρχεται, μπλοκάρει τη διάβρωση και υπερφορτίζει την παραγωγή υδρογόνου». Πρόσθεσε ότι η απόδοση του συστήματος οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στον τρόπο με τον οποίο διαχειρίζεται τα ιόντα χλωρίου στο θαλασσινό νερό.
Η λειτουργική ανθρακική επικάλυψη απωθεί αυτά τα ιόντα και δημιουργεί ένα τοπικό όξινο μικροπεριβάλλον που επιταχύνει την αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου (OER), η οποία είναι απαραίτητη για την παραγωγή υδρογόνου. Η μελέτη σημειώνει ότι αυτός ο μηχανισμός «ενισχύει τη δυναμική της OER και προστατεύει από την επίθεση των ιόντων χλωρίου και τον σχηματισμό κατακρημνισμάτων».
Η τεχνολογία έχει ήδη προσελκύσει το ενδιαφέρον από «νεοφυείς επιχειρήσεις καθαρής ενέργειας και περιφερειακά κέντρα καινοτομίας», όπως σημείωσε ο Dr. Ul Haq. «Η καινοτομία μας μετατρέπει το θαλασσινό νερό από πρόκληση σε λύση… Αυτό είναι καθαρό υδρογόνο από τη θάλασσα».
Οι ερευνητές πλέον ανυπομονούν για την ευρεία υλοποίηση της τεχνολογίας τους. «Μεταβαίνουμε τώρα από την κλίμακα του εργαστηρίου σε πιλοτικές δοκιμές, προσπαθώντας να επικυρώσουμε την τεχνολογία υπό πραγματικές εξωτερικές συνθήκες», είπε ο Dr. Ul Haq. «Ο επόμενος στόχος μας είναι η ανάπτυξη ενός αρθρωτού παραγωγού υδρογόνου με ηλιακή ενέργεια, κατάλληλου για χρήση σε άνυδρες, παράκτιες περιοχές».
Αναφορά: “Microenvironment-Engineered Multilayered Electrode Design for Sustainable Seawater Oxidation” by Tanveer ul Haq, Aleena Tahir, Mourad Smari, Mohammad Yousef Al Haik and Yousef Haik, 27 April 2025, Small. DOI: 10.1002/smll.202501376