Miljöföroreningar och prisvärd ren energi är de två stora målen för hållbar utveckling som sattes upp av FN:s generalförsamling 2015. Alla länder satte upp sina mål för avkarbonisering till år 2050 och ökad användning av grönt väte för att minska belastningen av elförbrukningen per år .
Branscher och forskargrupper samarbetade för att öka produktionen av grönt väte och sänka produktionskostnaden. År 2023 märkte vi de globala energikriserna i stora delar av Europa under kriget, vilket ledde till höga priser och brist på flytande naturgas och förvärrade klimatförändringarna.
Vanligtvis genereras grönt väte via elektrolysatorer och fotokatalytisk vattenklyvning. Det finns några hinder för kommersialiserad produktion av grönt väte, såsom höga produktionskostnader, fotokatalysatorstabilitet, katalysatorprestanda och havsvattenanvändning.
Fotokatalytisk solvattenklyvning har öppnat en ny möjlighet för produktion av lågkostnadsgrönt väte i enlighet med miljöskydd. Solljus finns rikligt i miljön och att välja rätt högpresterande, långsiktigt stabil fotokatalysator kan öka produktionen och sänka priset på grönt väte.
Noterbart är att alla fotokatalysatorer som är tillgängliga för väteproduktion genom vattenspjälkning är i form av pulveriserade nanopartiklar, vilket orsakar metallförlust och aggression, vilket resulterar i lägre fotokatalytisk aktivitet och en inverkan på driftskostnaden. Dessutom fungerar fotokatalysatorsystem för nanopartiklar i pulverform endast i batch-läge och kan inte kontrollera väteproduktionshastigheten.
Den pulveriserade nanopartikelfotokatalysatorn innehåller halvledare som kan läcka ut i vattendrag och skada den ekologiska pyramiden. Metallorganiska ramverk har föreslagits för att stödja legeringens nanopartiklar för att förhindra metallaggregering under reaktionen och för att öka katalytisk aktivitet.
Teamet under Prof. Kajari Kargupta från nanoteknik och hållbar energilab, Chemical Engineering Department, Jadavpur University, Indien, har nu utvecklat en miljövänlig, återvinningsbar 3D organisk alginathydrogel inkapslad i en fotokatalysator av pärltyp. Studien publiceras i International Journal of Hydrogen Energy .
Dessa typer av 3D-metallorganiska ramverksbaserade hydrogelfotokatalysatorer kan ge en jämn hastighet av kontinuerligt väte. Den toxiska effekten av halvledaren minimeras genom inkapsling med det livsmedelsgodkända materialet natriumalginat.
Natriumalginat är den föredragna biopolymeren för de fotokatalysatorinkapslade millisfärerna. Den är kommersiellt tillverkad av brunt tångextrakt. Med tiden har flera forskargrupper bildat olika metall-polymerkompositer på grund av immobiliseringen av metalljonerna under gelningsprocessen.
Ett tryckdrivet genomströmningssystem som arbetar i både batch- och kontinuerligt läge under fullbandssolbestrålning undersöktes för förbättrad solväteproduktion från vatten med användning av en ny 3D-millisfär av organiska alginater, hydrogelinkapslad fotokatalysator med hög vattenretentionsförmåga. Det främsta fokuset projicerades på rollen av förbättringen av adsorptionen av vattenmolekylen på fotokatalysatorns aktiva platser på prestandan för solenergiproduktionen.
Ur ett funktionellt perspektiv ökar tillsatsen av natriumalginat fotokatalysatorns aktivitet och vattenretentionskapacitet, vilket möjliggör processen med kontinuerlig vätegenerering. Ur ett operativt perspektiv ökar alginats närvaro fotokatalysatorns aktivitet och vattenretentionskapacitet, vilket möjliggör processen att ständigt generera väte.
Varje sfärisk pärlformad alginat-inkapslad fotokatalysator fungerar som en miniatyrväteproducent eller fotokatalytisk reaktor. Alginathydrogelerna visade också enastående återvinningsbarhet och återanvändning. Deras syntetiska repeterbarhet och linjära skalbarhet bekräftas av det faktum att den totala mängden genererat väte ökar linjärt med antalet fotokatalysatorinkapslade pärlor medan den volymnormaliserade hastigheten förblir konstant.
Graden av hydratisering – både pre- och dynamisk vattenadsorption – påverkar starkt den hastighet med vilken väte produceras. En flödesreaktor används för att producera väte med en konstant hastighet; när det inkommande flödet faller under ett kritiskt värde förblir produktionshastigheten konstant, vilket indikerar att varje sfärisk katalysator fungerar som en liten vätegenerator.
Prof. Kargupta har erfarenhet av att omvandla prototyper i laboratorieskala till praktiska kommersiella tillämpningar, och vårt multidisciplinära team innehåller expertis inom solenergigenerering, bränslecellelektrolytmembran/elektrodtillverkning och kolbindning. Teamet försöker skala upp kapaciteten hos det genererade vätet för att driva de bärbara bränslecellerna i avlägsna områden.
Den huvudsakliga kemikalien som används för inkapslingen av fotokatalysatorn är natriumalginat, som anses vara ett material av livsmedelskvalitet (emulgeringsmedel, stabilisator, förtjockningsmedel och gelningsmedel) av U.S. Food and Drug Administration och Europeiska kommissionen. Den alginathydrogelbaserade fotokatalysatorn med en lämplig fotoreaktor kommer att monteras med hög lagring och bränsleceller under de kommande två åren. Vi planerar att samarbeta med industripartners för att skala upp denna högpresterande fotokatalysator i industriell skala.
Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om ScienceX Dialog och hur du deltar.
Mer information: Sayantanu Mandal et al, Organic alginate incapsulated rGO-CdS millispheres for anmärkningsvärd fotokatalytisk solenergiproduktion, International Journal of Hydrogen Energy (2023). DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.09.137
Prof. Kajari Kargupta, avdelningen för kemiteknik, Jadavpur University tog sin doktorsexamen. om "Instabilitet och mönsterbildning i tunna filmer:heterogenitets roll, avdunstning och glidning" 1998 från I.I.T. Kanpur. Hon har expertis inom tunnfilmssystem, mönstergenerering, bildning av nanostrukturer av olika morfologier och deras tillämpning. Hon har framgångsrikt genomfört flera projekt sponsrade av SERB DST, UGC, DBT och DRDO och har mer än 100 referentgranskade tidskriftspublikationer till sin kredit. Hon har erfarenhet av formulering av grafenbaserade bimetalliska nanohybridmaterial av olika morfologier och deras tillämpning som katalysatorer, elektrokatalysatorer för vätegenerering. Som en del av ett tidigare DST-sponsrat projekt, utforskade hon syntesen och karakteriseringen av grafenbaserade bimetalliska nanohybridkatalysatorer för vätegenerering från natriumborhydrid och borhydridelektrooxidation; baserad på kartläggning av sammansättning-morfologi-prestanda en ny rGO-baserad-ansluten kärnskal G-Co-Pt nano-hybridkatalysatorer som uppvisar utmärkta elektrontransportegenskaper har undersökts för vätegenerering såväl som en ORR-katalysator för att minska Pt-belastningen. Dr. Kargupta har erfarenhet av syntes och karakterisering av elektrokatalysatorer för elektrooxidation, syrereduktionsreaktion och bränslecellsapplikation. Hon har utforskat fotokatalytisk och fotoelektrokatalytisk solvätegenerering genom vattenklyvning; vars mål är att ta itu med de stora processflaskhalsarna och förbättra effektiviteten från solenergi till väte. Baserat på såväl experimentell som kvantsimulering analyseras och utforskas rollen av nanohybridkatalysatorer/fotokatalysatorer och fotoelektrokatalysatorer. Tidigare som en del av UGC-storprojektet undersökte Prof. Kargupta olika oorganiska-organiska nanokompositmembranelektrolyter samt bärbara, hållbara och protonledande elektrolyter av geltyp, speciellt för bärbar tillämpning av bränsleceller. Prof. Kargupta har erfarenhet av att hantera 10 sponsrade projekt som PI och Co-PI. Hon har också arbetat med NMRL, DRDO på ett uppdragsprojekt relaterat till bränslecellstillämpning som leverantör av forskningstjänster.
Mr. Sayantanu Mandal avslutar för närvarande sin doktorsexamen. vid Institutionen för kemiteknik, Jadavpur University, under ledning av Prof. Kajari Kargupta. Under de senaste tre åren har han arbetat med vätgasgenerering och tillverkning av ett elektrolytiskt membran för högtemperaturbränsleceller. För närvarande är han också PI för ett projekt under Indian Science Technology Engineering Facilities Map under Govt of India (I-STEM) med sin guide Prof Kajari Kargupta (I-STEM/Catalyticgrant/acad_24/2022-23). Han är också permanent medlem i några av de prestigefyllda vetenskapliga globala organisationerna som International Association of Engineers (IAENG) och International Academy of Science and Engineering for Development (IASED), Hongkong. Han sitter också i den tekniska kommittén för den tekniska kommittén för MEAMT 2023, NanoMT 2023 och ICFMCE 2023 som referentbedömare.
Journalinformation: International Journal of Hydrogen Energy
