МОСКВА, 11 мая - РИА Новости. Ученые показали, что никель и бор, дешевые и доступные элементы, можно применять для получения новых катализаторов разложения воды на кислород и водород, это открытие может найти применение в экологически чистой энергетике будущего, сообщается в статье исследователей, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .
До сих пор наиболее эффективным среди таких катализаторов электролиза воды (разложения на кислород и водород с помощью электричества) считается платина - дорогой и редкий металл, запасы которого на планете очень ограничены, в связи с чем многие научные группы ищут ему замену.
Ранее авторы новой статьи, группа Даниэля Носера (Daniel Nocera) из Массачусетского технологического института в США, уже показывали применимость для этих целей соединений кобальта - довольно распространенного и доступного металла. Чуть менее двух недель назад в прессе появилось сообщение о получении эффективного катализатора разложения воды на основе молибдена. Тем не менее, ученые продолжают поиски новых соединений, так как для коммерческого применения подобные катализаторы должны быть не только дешевы, но и на порядки более эффективны, чем их существующие прототипы.
В своей новой работе ученые из группы Носера описывают каталитическую систему, которая представляет собой соединение на основе элементов никеля и бора. Он может быть нанесено в виде тонкой пленки на любую поверхность с помощью электричества. На получающемся таким образом электроде, опущенном в водный раствор соединений бора (электролит), при приложении электрического напряжения менее, чем в два Вольта происходит реакция разложения воды с выделением кислорода. При этом на противоположном электроде происходит реакция с выделением чистого водорода.
Достоинство нового катализатора состоит в том, что он может быть получен из широко распространенных и дешевых элементов. Кроме того, он обладает хорошими рабочими характеристиками, которые позволяют надеяться на то, что подобные каталитические системы в будущем найдут коммерческое применение.
Для этого ученым необходимо увеличить мощность подобных катализаторов, "научить" их работать на обычной воде без применения дополнительных химических компонентов в качестве электролитов, а также для максимальной эффективности совместить в едином устройстве с солнечными элементами.
В такой энергетической установке избыток электричества, вырабатываемый в светлое время суток, может быть преобразован в водород и накоплен для использования в темное время суток. Эта концепция подразумевает полный цикл генерации и использования энергии малыми хозяйствами, что очень удобно и намного более эффективно, нежели централизованное получение энергии на электростанциях и дальнейшее ее распределение по электросетям.
Использование водорода в качестве энергоносителя для обогрева дома – идея весьма заманчивая, ведь его теплотворная способность (33.2 кВт / м3) превышает более чем в 3 раза показатель природного газа (9.3 кВт / м3). Теоретически, чтобы извлечь горючий газ из воды с последующим сжиганием его в котле, можно использовать водородный генератор для отопления. О том, что из этого может получиться и как сделать такое устройство своими руками, будет рассказано в данной статье.
Как энергоноситель водород действительно не имеет себе равных, а запасы его практически неисчерпаемы. Как мы уже сказали, при сжигании он выделяет огромное количество тепловой энергии, несравнимо большее, нежели любое углеводородное топливо. Вместо вредных соединений, выбрасываемых в атмосферу при использовании природного газа, при горении водорода образуется обычная вода в виде пара. Одна беда: данный химический элемент не встречается в природе в свободном виде, только в соединении с другими веществами.
Одно из таких соединений – обычная вода, представляющая собой полностью окисленный водород. Над ее расщеплением на составные элементы работали многие ученые в течение долгих лет. Нельзя сказать, что безрезультатно, ведь техническое решение по разделению воды все же было найдено. Его суть – в химической реакции электролиза, в результате которой происходит расщепление воды на кислород и водород, полученную смесь назвали гремучим газом или газом Брауна. Ниже показана схема водородного генератора (электролизера), работающего на электричестве:
Электролизеры производятся серийно и предназначены для газопламенных (сварочных) работ. Ток определенной силы и частоты подается на группы металлических пластин, погруженных в воду. В результате протекающей реакции электролиза выделяются кислород и водород вперемешку с водяным паром. Для его отделения газы пропускаются через сепаратор, после чего подаются на горелку. Дабы избежать обратного удара и взрыва, на подаче устанавливается клапан, пропускающий горючее только в одну сторону.
Для контроля за уровнем воды и своевременной подпитки конструкцией предусмотрен специальный датчик, по сигналу которого производится ее впрыск в рабочее пространство электролизера. За превышением давления внутри сосуда следит аварийный выключатель и сбросной клапан. Обслуживание водородного генератора заключается в периодическом добавлении воды, и на этом все.
Генератор для сварочных работ – это на данный момент единственное практическое применение электролитическому расщеплению воды. Использовать его для отопления дома нецелесообразно и вот почему. Затраты энергоносителей при газопламенных работах не так важны, главное, что сварщику не нужно таскать тяжеленные баллоны и возиться со шлангами. Другое дело – отопление жилища, где каждая копейка на счету. И тут водород проигрывает всем существующим ныне видам топлива.
Важно. Затраты электроэнергии на выделение горючего из воды методом электролиза будут гораздо выше, нежели гремучий газ сможет выделить при сжигании.
Серийные сварочные генераторы стоят немалых денег, поскольку в них используются катализаторы процесса электролиза, в состав которых входит платина. Можно сделать водородный генератор своими руками, но его эффективность будет еще ниже, чем у заводского. Получить горючий газ вам точно удастся, но вряд ли его хватит на обогрев хотя бы одной большой комнаты, не то что целого дома. А если и хватит, то придется оплачивать баснословные счета за электричество.
Чем тратить время и усилия на получение бесплатного топлива, которого не существует априори, проще смастерить своими руками простой электродный котел. Можете быть уверены, что так вы израсходуете гораздо меньше энергии с большей пользой. Впрочем, домашние мастера – энтузиасты всегда могут попробовать свои силы и собрать дома электролизер, с целью провести эксперименты и убедиться во всем самолично. Один из подобных экспериментов показан на видео:
Масса интернет-ресурсов публикуют самые разные схемы и чертежи генератора для получения водорода, но все они действуют по одному принципу. Мы предложим вашему вниманию чертеж простого устройства, взятый из научно-популярной литературы:
Здесь электролизер представляет собой группу металлических пластин, стянутых между собой болтами. Между ними установлены изоляционные прокладки, крайние толстые обкладки тоже изготовлены из диэлектрика. От штуцера, вмонтированного в одну из обкладок, идет трубка для подачи газа в сосуд с водой, а из него – во второй. Задача емкостей – отделять паровую составляющую и накапливать смесь водорода с кислородом, чтобы подавать его под давлением.
Совет. Электролитические пластины для генератора надо делать из нержавеющей стали, легированной титаном. Он послужит дополнительным катализатором реакции расщепления.
Пластины, что служат электродами, могут быть произвольного размера. Но надо понимать, что производительность аппарата зависит от их площади поверхности. Чем большее число электродов удастся задействовать в процессе, тем лучше. Но при этом и потребляемый ток будет выше, это следует учитывать. К концам пластин припаиваются провода, ведущие к источнику электричества. Здесь тоже есть поле для экспериментов: можно подавать на электролизер разное напряжение с помощью регулируемого блока питания.
В качестве электролизера можно применить пластиковый контейнер от водяного фильтра, поместив в него электроды из нержавеющих трубок. Изделие удобно тем, что его легко герметизировать от окружающей среды, выводя трубку и провода через отверстия в крышке. Другое дело, что этот самодельный водородный генератор обладает невысокой производительностью из-за малой площади электродов.
На данный момент не существует надежной и эффективной технологии, позволяющей реализовать водородное отопление частного дома. Те генераторы, что имеются в продаже, могут успешно применяться для обработки металлов, но не для производства горючего для котла. Попытки организовать подобный обогрев приведут к перерасходу электроэнергии, не считая затрат на оборудование.
МОСКВА, 11 мая - РИА Новости. Ученые показали, что никель и бор, дешевые и доступные элементы, можно применять для получения новых катализаторов разложения воды на кислород и водород, это открытие может найти применение в экологически чистой энергетике будущего, сообщается в статье исследователей, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .
До сих пор наиболее эффективным среди таких катализаторов электролиза воды (разложения на кислород и водород с помощью электричества) считается платина - дорогой и редкий металл, запасы которого на планете очень ограничены, в связи с чем многие научные группы ищут ему замену.
Ранее авторы новой статьи, группа Даниэля Носера (Daniel Nocera) из Массачусетского технологического института в США, уже показывали применимость для этих целей соединений кобальта - довольно распространенного и доступного металла. Чуть менее двух недель назад в прессе появилось сообщение о получении эффективного катализатора разложения воды на основе молибдена. Тем не менее, ученые продолжают поиски новых соединений, так как для коммерческого применения подобные катализаторы должны быть не только дешевы, но и на порядки более эффективны, чем их существующие прототипы.
В своей новой работе ученые из группы Носера описывают каталитическую систему, которая представляет собой соединение на основе элементов никеля и бора. Он может быть нанесено в виде тонкой пленки на любую поверхность с помощью электричества. На получающемся таким образом электроде, опущенном в водный раствор соединений бора (электролит), при приложении электрического напряжения менее, чем в два Вольта происходит реакция разложения воды с выделением кислорода. При этом на противоположном электроде происходит реакция с выделением чистого водорода.
Достоинство нового катализатора состоит в том, что он может быть получен из широко распространенных и дешевых элементов. Кроме того, он обладает хорошими рабочими характеристиками, которые позволяют надеяться на то, что подобные каталитические системы в будущем найдут коммерческое применение.
Для этого ученым необходимо увеличить мощность подобных катализаторов, "научить" их работать на обычной воде без применения дополнительных химических компонентов в качестве электролитов, а также для максимальной эффективности совместить в едином устройстве с солнечными элементами.
В такой энергетической установке избыток электричества, вырабатываемый в светлое время суток, может быть преобразован в водород и накоплен для использования в темное время суток. Эта концепция подразумевает полный цикл генерации и использования энергии малыми хозяйствами, что очень удобно и намного более эффективно, нежели централизованное получение энергии на электростанциях и дальнейшее ее распределение по электросетям.
Электролиз – химико-физическое явление по разложению веществ на компоненты посредством электротока, которое широко применяется в производственных целях. На основе этой реакции изготавливаются агрегаты для получения, например, хлора или цветных металлов.
Постоянный рост цен на энергетические ресурсы сделал популярными электролизные установки бытового назначения. Что представляют собой такие конструкции, и как их изготовить дома?
Электролизная установка – устройство для электролиза, требующее внешний энергоисточник, конструктивно состоящее из нескольких электродов, которые помещены в заполненную электролитом емкость. Также такая установка может называться устройством для расщепления воды.
В подобных агрегатах основным техническим параметром является производительность, которая означает объем вырабатываемого водорода за час и измеряется в м³/ч. Стационарные агрегаты несут этот параметр в наименовании модели, например, мембранная установка СЭУ-40 вырабатывает за час 40 куб. м водорода.
Прочие характеристики таких устройств полностью зависят от целевого назначения и вида установок. Например, при осуществлении электролиза воды КПД агрегата зависит от нижеследующих параметров:
Важно! В конструкциях другого типа значения будут иметь иные параметры.
Установки для электролиза воды могут также использоваться для таких целей, как обеззараживание, очистка и оценка качества воды.
Самое простое устройство имеют электролизеры, которые расщепляют воду на кислород и водород. Они состоят из емкости с электролитом, в которую помещаются электроды, подключенные к энергоисточнику.
Принцип работы электролизной установки заключается в том, что электроток, который проходит через электролит, имеет напряжение, достаточное для разложения воды на молекулы. Результат процесса – анод выделяет одну часть кислорода, а катод производит две части водорода.
Устройства для расщепления воды бывают нижеследующих видов:
Такие электролизеры имеют самую простую конструкцию (картинка выше). Им присуща особенность, которая заключается в том, что манипуляция с числом ячеек дает возможность запитать агрегат от источника с любым напряжением.
Эти установки имеют в своей конструкции полностью залитую электролитом ванну с электродными элементами и баком.
Принцип работы проточной электролизной установки нижеследующий (по картинке выше):
Интересно знать. Такой принцип работы настроен в некоторых сварочных аппаратах – горение выделяемого газа позволяет сваривать элементы.
Электролизная установка мембранного типа имеет схожую конструкцию с другими электролизерами, однако в качестве электролита выступает твердое вещество на полимерной основе, которое именуется мембраной.
Мембрана в таких агрегатах имеет двойное назначение – перенос ионов и протонов, разделение электродов и продуктов электролиза.
Когда одно вещество не может проникать и влиять на другое, применяют пористую диафрагму, которая может изготавливаться из стекла, полимерных волокон, керамики либо асбестового материала.
Протекать электролиз в дистиллированной воде не может. В таких случаях необходимо использовать катализаторы, которыми выступают щелочные растворы высокой концентрации. Соответственно, основную часть электролизных устройств можно назвать щелочными.
Важно! Стоит отметить, что использование соли в качестве катализатора вредно, так как при протекании реакции выделяется газообразный хлор. Идеальным катализатором может выступать гидроксид натрия, который не разъедает железные электроды и не способствует выделению вредных веществ.
Изготовить электролизер своими руками может каждый человек. Для процесса сборки самой простой конструкции потребуются нижеследующие материалы:
Собирать электролизер своими руками следует по следующей инструкции:
Заключительный этап – тестирование, которое осуществляется таким образом:
Если будет подан на установку слабый ток, то выпускание газа через трубку будет почти незаметно, однако внутри электролизера его можно будет наблюдать. Повышая электрический ток, добавляя щелочной катализатор в воду, можно существенно увеличить выход газового вещества.
Изготовленный электролизер может выступать составной частью многих устройств, например, водородной горелки.
Зная типы, основные характеристики, устройство и принцип работы электролизных установок, можно осуществить правильную сборку самодельной конструкции, которые будет являться незаменимым помощником в различных бытовых ситуациях: от сварки и экономии расхода топлива автотранспорта до работы систем отопления.
