سیستم‌های منحصر‌به‌فرد ابداع‌شده توسط پژوهشگران استرالیایی، مسیر‌های جدیدی را برای تولید اقتصادی هیدروژن سبز آشکار می‌کنند که یک منبع انرژی پایدار و تجدیدپذیر است و پتانسیل پالایش ضایعات نیتروژنی را در محیط‌های آبی دارد.

به نقل از ساینس دیلی، هیدروژن معمولا از طریق الکترولیز برای تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن تولید می‌شود. این یک فناوری امیدوارکننده برای کمک به مقابله با بحران جهانی انرژی به شمار می‌رود، اما این فرآیند انرژی‌بر است و در مقایسه با استخراج هیدروژن از سوخت‌های فسیلی (هیدروژن خاکستری) که خود به دلیل انتشار کربن یک فرآیند نامطلوب محسوب می‌شود، هزینه بالایی دارد.

یک سیستم الکترولیز که هیدروژن را از اوره تولید می‌کند، در مقایسه با آب به انرژی بسیار کمتری نیاز دارد. با وجود این مزیت، سیستم‌های مبتنی بر اوره موجود با محدودیت‌های متعددی مانند مقادیر کم هیدروژن قابل استخراج و تولید محصولات جانبی نیتروژنی نامطلوب شامل نیترات‌ها و نیتریت‌ها روبه‌رو می‌شوند که سمی هستند و با تولید هیدروژن رقابت می‌کنند و به کاهش راندمان کلی سیستم منجر می‌شوند.

پژوهشگران «مرکز عالی علوم و نوآوری کربن شورای تحقیقات استرالیا» (COE-CSI) و «دانشگاه آدلاید» (University of Adelaide) دو سیستم الکترولیز مبتنی بر اوره ابداع کرده‌اند که بر این مشکلات غلبه می‌کنند و می‌توانند هیدروژن سبز را با هزینه قابل مقایسه یا ارزان‌تر از هزینه تولید هیدروژن خاکستری تولید کنند.

تولید هیدروژن از اوره خالص کار جدیدی نیست، اما این گروه پژوهشی یک فرآیند در دسترس‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر پیدا کرده‌اند که از ادرار به عنوان منبع جایگزین اوره خالص استفاده می‌کند.

پروفسور «یائو ژنگ» (Yao Zheng) از پژوهشگران این پروژه گفت: اگرچه ما همه مشکلات را حل نکرده‌ایم، اما اگر این سیستم‌ها در مقیاس وسیع‌تری تولید شوند، سیستم‌های ما به جای نیترات‌ها و نیتریت‌های سمی، گاز نیتروژن بی‌ضرر تولید می‌کنند و هر یک از این سیستم‌ها بین ۲۰ تا ۲۷ درصد برق کمتری را نسبت به سیستم‌های تجزیه آب نیاز دارند.

وی افزود: ما باید هزینه تولید هیدروژن را کاهش دهیم، اما به یک روش بدون کربن نیاز داریم. سیستم مورد استفاده در مقاله اول ما ضمن استفاده از یک سیستم منحصر‌به‌فرد بدون غشاء و کاتالیزور جدید مبتنی بر مس، از اوره خالص استفاده کرد که از طریق فرآیند سنتز آمونیاک «هابر-بوش» (Haber-Bosch) تولید می‌شود که انرژی زیادی مصرف می‌کند و مقدار زیادی کربن دی‌اکسید آزاد می‌کند. ما این مشکل را با استفاده از یک منبع طبیعی اوره یعنی ادرار انسان حل کردیم که اساس سیستم مورد بررسی در مقاله دوم ماست.

ادرار یا اوره را می‌توان از فاضلاب و سایر پساب‌های حاوی نیتروژن بالا نیز تهیه کرد. با وجود این، ادرار در یک سیستم الکتروکاتالیستی یک مشکل دیگر را ایجاد می‌کند. یون‌های کلرید موجود در ادرار، واکنشی را آغاز می‌کنند که به تولید کلر منجر می‌شود و خوردگی برگشت‌ناپذیر آند را در سیستم ایجاد می‌کند که در آن، اکسیداسیون و از دست دادن الکترون‌ها رخ می‌دهد.

پروفسور «شیژانگ کیائو» (Shizhang Qiao) از پژوهشگران این پروژه گفت: در سیستم اول، ما یک سیستم الکترولیز اوره بدون غشاء و بسیار کارآمد را برای تولید کم‌هزینه هیدروژن ابداع کردیم. در سیستم دوم، ما یک مکانیسم اکسیداسیون جدید با واسطه کلر ایجاد کردیم که از کاتالیزور‌های مبتنی بر پلاتین بر پایه کربن برای تولید هیدروژن از ادرار استفاده می‌کرد.

پلاتین یک فلز گران‌قیمت، گران‌بها و محدود است و به عنوان یک ماده کاتالیزور ناپایدار تقاضای روزافزون دارد. ماموریت اصلی مرکز عالی علوم و نوآوری کربن شورای تحقیقات استرالیا، فعال کردن فناوری‌های کاتالیزور کربنی متحول‌کننده برای صنایع سنتی تولید انرژی و صنایع شیمیایی است.

این پژوهش در مجله «Nature Communications» به چاپ رسید.