Расщепление воды – Наука – Коммерсантъ

Опыт Карлайла и Николсона был простым, как все гениальное. Чуть раньше в том же 1800 году итальянец Вольта сделал первую в истории человечества химическую батарейку — вольтов столб из сложенных поочередно в столбик кружочков меди и цинка с прокладками между ними из сукна, смоченного в соленой воде. Карлайл и Николсон проводки от вольтова столба опустили в воду. На них образовались пузырьки газа, на одном проводке — водорода, а другом — кислорода.

Оценить всю глубину своего открытия Карлайл и Николсон не смогли и, соответственно, не сумели извлечь из него все крывшиеся в нем научные дивиденды. Не потому что были химиками-самоучками (Карлайл был хирургом, а Николсон и вовсе самоучкой в буквальном смысле этого слова), а потому что вряд ли кто-нибудь другой, будь он семи пядей во лбу, смог бы это сделать, уж слишком широкое поле для научных и практических приложений открыл их опыт.

Поначалу все были загипнотизированы самим фактом того, что электричество способно менять природу материи, на детали опыта всеобщий восторг не распространялся.

Эти детали исследовали уже другие ученые, и в отличие от Карлайла и Николсона они остались в истории науки авторами фундаментальных открытий.

Первым был химик Хэмфри Дэви, который, неоднократно повторяя опыт и каждый раз получая из воды только водород и кислород, стал первооткрывателем химического состава воды. Он же, пропуская ток через растворы разных солей, получил на электродах химические элементы калий, натрий, магний, стронций, барий, кальций, бор и хлор. Открыл их!

Повторяя опыт Карлайла и Николсона, Гей-Люссак открыл закон объемных отношений газов, а Авогадро — свой «закон Авогадро». В конце концов, Берцелиус окончательно определил формулу воды Н2О. А Майкл Фарадей сформулировал законы электролиза — того явления, которое открыли Карлайл и Николсон в своем опыте и без которого немыслима современная промышленность.

О них же самих сегодня никто не помнит, хотя последние лет тридцать их опыт во всевозможных вариантах со всевозможными катализаторами с упорством маньяков воспроизводят тысячи химиков по всему миру, пытаясь экономически рентабельно разложить воду на водород и кислород, чтобы создать водородный двигатель для автомобиля. А когда эта задача будет решена, о Карлайле и Николсоне опять «первооткрыватели» топлива из воды вряд ли вспомнят.

Сергей Петухов

Южный федеральный университет | Пресс-центр: Ученые ЮФУ совместно с китайскими коллегами разрабатывают катализаторы для расщепления воды на кислород и водород

Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону, Россия) и Университет науки и технологии Китая (Хефей) проводят уникальные совместные исследования по разработке методик нанодиагностики материалов с использованием установок мега-сайенс (источников синхротронного излучения).

В настоящее время разрабатывается проект, посвященный крайне актуальному вопросу, разработке двумерных нанокатализаторов для разделения воды на водород и кислород под действием солнечного света.

«На первом этапе проекта был успешно разработан подход для суперкомпьютерного моделирования процесса разложения воды на водород и кислород под действием света на границе раздела между молекулами воды и двумерными фотокатализаторами и протестирован метод анализа данных экспериментальных исследований, проводимых на источниках синхротронного излучения. Это позволило изучить закономерности экологически чистого процесса получения водорода при расщеплении воды под действием солнечного света, который в недалеком будущем может стать одним из важнейших этапов перехода на широкое использование возобновляемых источников энергии, не наносящих урон экологии Земли. А детали методики исследований будут в самом ближайшем будущем востребованы при разработке отечественных источников синхротронного излучения последнего поколения»,

— отметил  ответственный исполнитель проекта со стороны ЮФУ, директор научного центра «Лаборатория технологий искусственного интеллекта и больших данных для нанодиагностики материалов» Михаил Солдатов.

Справка: Разделение воды на водород и кислород – это один ключевых элементов для создания неразрушающей экологию возобновляемой энергетики, так как водород заслуженно считается топливом будущего. Тем не менее, для развития водородной энергетики, необходимо разработать экономически обоснованную и экологически чистую технологию его получения. В настоящее время водород обычно получают в промышленных масштабах из природного газа с помощью экологически опасного процесса, производя при этом значительное количество углекислого газа. Более того, используемый в настоящее время источник водорода – природный газ не является возобновляемым сырьем. С другой стороны, получение водорода при расщеплении воды под действием солнечного света открывает путь развития экологически чистого, возобновляемого и потенциально экономически обоснованного метода получения водорода. Для увеличения скорости такой реакции необходимо использование особых материалов – катализаторов.

Краткая ссылка на новость sfedu.ru/news/63801

ВОДОРОД ВМЕСТО УГЛЕВОДОРОДОВ | Наука и жизнь

Водород — самое экологически чистое топливо на Земле: при его сгорании образуется только вода. В качестве энергоносителя водород можно использовать для получения электричества и тепла в промышленности, в быту, на транспорте. В частности, с помощью водородных топливных элементов, в которых происходит прямое преобразование химической энергии в электричество, уже созданы опытные образцы электромобилей (см. «Наука и жизнь № 8, 2003 г.). Существует также много способов безопасного хранения и транспортировки водорода. А не нанесут ли вреда природе технологические процессы получения водорода?

В настоящее время водород в промышленных масштабах получают паровой конверсией метана (природного газа). При температуре 750-850^оС в присутствии водяного пара метан и вода расщепляются на водород и монооксид углерода, затем при 200-250°С происходит превращение монооксида углерода и воды в водород и диоксид углерода. Оба процесса эндотермические, и для их поддержания приходится сжигать около половины объема исходного газа, из-за чего экологический эффект оказывается очень низким.

Предлагается использовать для нагрева и подвода тепла высокотемпературные ядерные реакторы с гелиевым теплоносителем. Таким образом можно экономить углеводородное сырье и поставлять на рынки развивающихся стран водородное топливо вместо ядерных реакторов.

Дальнейшее развитие атомно-водородной энергетики пойдет по пути использования в качестве сырья не метана, а воды.

Здесь могут быть использованы электролиз, а также термохимические и комбинированные методы получения водорода.

Известный способ термического разложения воды, которое происходит при температуре 2500°С, вряд ли применим, поскольку сложно предотвратить последующую рекомбинацию молекул воды. Однако возможен термохимический процесс разложения воды при температурах порядка 1000°С в присутствии соединений брома и йода. Правда, здесь требуется подведение тепла, и кпд составляет около 50%. На отдельных стадиях процесса наряду с термическим воздействием используется электролиз.

Электролитический водород получить проще всего, но экономически это невыгодно: на получение одного кубометра водорода требуется 4,8 киловатт-часа энергии. Если проводить электролиз перегретого пара, то эффективность процесса повышается, и на получение кубометра водорода уходит около 2,5 киловатт-часа.

В настоящее время «Курчатовский институт» и американская компания «GA» совместно разрабатывают очень перспективный проект газовой турбины-модульного гелиевого реактора. При генерации электричества с использованием прямого газотурбинного цикла можно достичь кпд, равного 50%.

Водородные станции

Применение водорода в промышленности является одним из актуальных вопросов развития энергетической отрасли, так как водород считается универсальным и экологически чистым энергоносителем.

Развитие и модернизация производственных мощностей позволили ТЕГАС разработать и внедрить новый вид продукции — водородные станции. Промышленные установки водорода на  базе генераторов раздельного получения водорода и  кислорода (электролизёров) позволяют обеспечить любые отрасли промышленности водородом и  кислородом. Наши установки позволяют получать водород и кислород с выдающимися показателями чистоты —  99,9998% и 99,9993% соответственно, с  точкой росы до минус 70 градусов.

Водородные установки – генераторы водорода на объектах энергетической, металлургической и химической промышленностей, а также в производстве стекла, в пищевой промышленности и др.

Генераторы ТИТАН производят водород и кислород посредством электролиза воды. Системы генераторов ТИТАН строятся на основе пакета электрохимических элементов (называемых модулем), в которых происходят механические, термические, электрические и химические процессы. Платформа генератора содержит один модуль. Для очищения производимого водорода используются вспомогательные компоненты, объединяющие различные технологии в интегрированную автоматически контролируемую систему. Для работы генераторов водорода требуются только деминерализованная вода и  электроэнергия. Основной процесс генератора – электрохимическое разложение воды на ее основные элементы. Процесс имеет место внутри гальванического элемента или камеры, разделенной на положительную и отрицательную стороны, где электрический ток протекает между металлическими электродами через проводящий жидкий электролит. При электролизе щелочной воды 30% веса электролита составляет гидроксид калия (KOH). Положительный электрод называется анодом, а отрицательный – катодом.

 

Половины элемента разделены смоченной мембраной, которая позволяет электрическому току течь (посредством электролита), но предотвращает перенос выделяющихся газов из одной стороны в другую. Когда подается напряжение постоянного тока, ток протекает через жидкость, контактирующую с электродами, и выделяются газы. 

Чистая вода расходуется внутри элемента. Электролит добавляется для минимизации электрического сопротивления и для содействия реакции посредством обеспечения избытка гидроксильных ионов (см. анодную реакцию выше), но не расходуется в процессе. Количества газа, выделяемого на каждом электроде, находится в прямой зависимости от количества постоянного тока, протекающего через элемент.

Водородные установки поставляются в двух модификациях:

1. В контейнерном исполнении;
2. Для размещения в помещении заказчика.

Технические характеристики:

Параметр	Значение
Давление водорода, bar	10,34
Давление кислорода, bar	9,65
Охлаждающая вода: макс. температура на входе, оС максимальный расход, л/мин	40 40
Охл. вода конденсора: макс. температура, оС макс. давление, bar необходимый расход, л/мин	до 10 6,86 4
Прочищающий газ (азот или иной другой инертный газ): давление	от 5 до 24

*Эксплуатация установки внутри и снаружи помещения при температуре 5-40 ^оС.

Компания ТЕГАС предлагает как стационарные водородные установки, так и в блочно-модульном исполнении. Возможно изготовление оборудования по индивидуальным производственным задачам заказчика.

Расчетный срок службы водородных генераторов при строгом и безукоризненном соблюдении правил эксплуатации и регулярного технического обслуживания — двадцать лет. Оборудование прошло испытание в России, имеются Разрешение Ростехнадзора и сертификат соответствия ГОСТ-Р.

Ключевые преимущества

• Производство водорода высокой чистоты (от 99,9998%).
• Удобство транспортировки и эксплуатации.
• Длительный срок эксплуатации – от 25 лет.
• Надёжность и качество.

Ученые нашли способ добычи кислорода в космосе

Космические агентства и частные компании уже разрабатывают планы по отправке людей на Марс в ближайшие несколько лет, что в конечном итоге приведет к его колонизации.  И с увеличением числа открытых землеподобных планет вокруг близлежащих звезд дальние космические путешествия становятся все более актуальными.

Однако людям нелегко выжить в космосе в течение длительного периода времени. Одной из основных проблем космического полета на большие расстояния является транспортировка достаточного количества кислорода для дыхания космонавтов и достаточного количества топлива для работы сложной электроники. К сожалению, в космосе практически нет кислорода, поэтому запасать его нужно на Земле.

Но новое исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что можно производить водород (для топлива) и кислород (для дыхания) из воды, используя только полупроводниковый материал, солнечный (или звездный) свет и невесомость, что делает далекие путешествия более реальными.

Использование неограниченного ресурса Солнца для питания нашей повседневной жизни — одна из самых глобальных задач на Земле. Поскольку мы медленно отходим от нефти к возобновляемым источникам энергии, исследователи заинтересованы в возможности использования водорода в качестве топлива.  Лучшим способом сделать это было бы разделение воды (h3O) на ее составляющие: водород и кислород. Это возможно с использованием процесса, известного как электролиз, который состоит в пропускании тока через воду, содержащую некоторое количество растворимого электролита (например, соли — прим. перев.). В результате вода распадается на атомы кислорода и водорода, которые выделяются каждый на своем электроде.

Электролиз воды.

Хотя этот метод технически возможен и известен уже не одно столетие, он все еще не стал легкодоступным на Земле, поскольку нам нужно больше инфраструктуры, связанной с водородом — например, заправочных станций водорода.

Водород и кислород, полученные таким образом из воды, могут также использоваться в качестве топлива на космическом корабле. Запуск ракеты с водой на самом деле был бы намного безопаснее, чем с дополнительным ракетным топливом и кислородом на борту, так как при аварии их смесь может быть взрывоопасной. Теперь же в космосе специальная технология сможет разделить воду на водород и кислород, которые, в свою очередь, могут быть использованы для поддержания дыхания и работоспособности электроники (например, с помощью топливных элементов).

Для этого есть два варианта. Один из них — это электролиз, как и на Земле, с использованием электролитов и солнечных батарей для получения тока. Но, увы, электролиз — очень энергозатратный процесс, а энергия в космосе и без того «на вес золота».

Альтернативой является использование фотокатализаторов, которые работают путем поглощения фотонов полупроводниковым материалом, размещенном в воде. Энергия фотона «выбивает» электрон из материала, оставляя в нем «дырку». Свободный электрон может взаимодействовать с протонами в воде с образованием атомов водорода. Между тем, «дырка» может поглощать электроны из воды с образованием протонов и атомов кислорода.

Процесс фотокатализа в земных условиях и при микрогравитации (в миллион раз меньше, чем на Земле). Как видно, во втором случае количество появляющихся пузырьков газа больше.

Этот процесс может быть повернут вспять. Водород и кислород могут быть рекомбинированы (объединены) с использованием топливного элемента, в результате чего «вернется» затраченная на фотокатализ солнечная энергия и образуется вода. Таким образом, эта технология — реальный ключ к дальним космическим путешествиям.

Процесс с использованием фотокатализаторов является наилучшим вариантом для космических путешествий, поскольку оборудование весит намного меньше, чем необходимое для электролиза. В теории, работать с ним в космосе также проще. Отчасти это объясняется тем, что интенсивность солнечного света вне атмосферы Земли существенно выше, так как в последней достаточно большая часть света поглощается или отражается по пути к поверхности.

В новом исследовании ученые сбросили полностью рабочую экспериментальную установку для фотокатализа с башни высотой в 120 метров, создав условия, называющиеся микрогравитацией. По мере того, как объекты падают на Землю в свободном падении, эффект гравитации уменьшается (но сама она никуда не исчезает, поэтому это и называют микрогравитацей, а не отсутствием гравитации — прим. перев.), поскольку нет сил, которые компенсируют притяжение Земли — таким образом, на время падения в установке создаются условия как на МКС.

Экспериментальная установка и процесс эксперимента.

Исследователям удалось показать, что в таких условиях действительно возможно раcщепить воду. Однако, поскольку при этом процессе получается газ, то в воде образуются пузырьки. Важной задачей является избавление от пузырьков материала катализатора, поскольку они препятствуют процессу создания газа. На Земле гравитация заставляет пузырьки всплывать на поверхность (вода около поверхности плотнее пузырьков, что позволяет им плавать на поверхности), освобождая пространство у катализатора для образования следующих пузырьков.

При невесомости это невозможно, и пузырьки газа остаются на катализаторе или около него. Тем не менее, ученые скорректировали форму катализатора в наноразмерных масштабах, создав пирамидальные зоны, где пузырек может легко оторваться от вершины пирамиды и попасть в воду, не препятствуя процессу образования новых пузырей.

Но остается одна проблема. В отсутствие силы тяжести пузырьки останутся в жидкости, даже несмотря на то, что они вынуждены были покинуть катализатор.  Гравитация позволяет газу легко выходить из жидкости, что имеет решающее значение для использования чистого водорода и кислорода. Без гравитации никакие пузырьки газа не плавают на поверхности и не отделяются от жидкости — вместо этого образуется аналог пены.

Это резко снижает эффективность процесса, блокируя катализаторы или электроды. Инженерные решения вокруг этой проблемы будут ключевыми для успешной реализации технологии в космосе — одно из возможных решений заключается в вращении установки: таким образом центробежные силы создадут искусственную гравитацию. Но, тем не менее, благодаря этому новому исследованию мы стали на шаг ближе к длительному космическому полету людей.

Способ разложения воды на кислород и водород и устройства для его осуществления

Изобретение относится к технике разложения воды на кислород и водород (водородной энергетике) и может быть использовано в качестве узла для преобразования тепловой энергии при сжигании водорода в механическую энергию, в частности, в транспортных средствах, где вместо бензина используется вода.

Известен способ получения водорода из воды (см. патент №2456377), в котором разложение воды происходит под действием резонансного электромагнитного поля, частота n-й гармоники которого приближается к собственной частоте воды. Недостаток способа заключается в том, что при его осуществлении происходит изменение емкостной составляющей LC контура (контуров) из-за присутствия в воде продуктов ее разложения, приводящих к изменению диэлектрической проницаемости диэлектрика водяного конденсатора, при неизменном значении индуктивной составляющей. Это явление приводит к снижению производительности из-за отклонения от резонанса в цепях с последовательными или параллельными контурами. Также в устройстве, осуществляющем способ, наблюдается незначительная площадь соприкосновения изолированных конденсаторных пластин с водой, отнесенная к единице объема рабочей камеры, что также приводит к снижению производительности разложения воды. Известен также патент №2496917 способ получения водорода из воды, включающий разложение воды электрическим полем с помощью водяного конденсатора с изолированными обкладками, на которые подается высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы, а разложение воды происходит под действием электрического и магнитного полей, причем вектор напряженности магнитного поля направлен перпендикулярно вектору напряженности электрического поля, при этом вектора на воду действуют одновременно и с частотой, равной частоте гидродинамических колебаний воды. Для реализации способа используется устройство, в котором разложение воды электрическим и магнитным полями происходит с помощью, по меньшей мере, двух колебательных контуров, при этом емкость первого и связанная с ней индуктивность второго контура и соответственно емкость второго и связанная с ней индуктивность первого заряжаются и разряжаются с заданной частотой, при этом фаза входных напряжений сдвинута на 90 градусов. Недостаток способа тот, что электрическое поле действует на воду однонаправленно и периодически, причем время его действия равно времени нисходящий кривой входного напряжения, что наполовину снижает производительность разложения воды.

Техническим результатом изобретения является повышение производительности разложения воды за счет увеличения энергии электрического и магнитного полей.

Физика работы предлагаемого устройства заключается в следующим. На нижеуказанных сайтах расположена информация об известных способах разложения воды на кислород и водород https://yandex. ru/images/search?p=6&text=способы%20разложения%20воды%20на%20кислород%20и%20вод выбираем реакцию разложения воды действием электрического тока, электролиз https://im0-tub-ru.yandex.net/i?id=09c0c7751466c174d9cc9dc81648bc91-sr&n=13 где разложение воды под действием электрического тока происходит согласно уравнению 1., т.е. 2H₂O=2Н₂+O₂. Но данное уравнение не показывает, какая энергия затрачивается на разложение воды. При нагреве воды или при разложении пара (см. патент №2142905) тепловая энергия броуновского движения не может без действия полей разлагать воду. Только при действии поля диполи воды ориентируются вдоль его вектора напряженности уменьшая броуновское движение энергия которого расслабляет дипольные атомные связи в связи с чем для окончательного их разрушения требуется уменьшенное значение электромагнитной энергии. (см. так же видео на сайте https://www.youtube.com/watch?v=-ROZ0KU5ncM Учитывая, что вода H₂O является идеальным диэлектриком (электролитом) который контактирует с двумя электродами, что в комплексе представляет собой водяной конденсатор токи смещения, которого образуют энергию электрического поля, а токи индуктивности образуют энергию магнитного поля. Обе вырабатываемые токами энергии отличаются друг от друга векторными направлениями их энергий вектора, которых, действуя на дипольные молекулы воды, разрушают их, в результате чего молекулы воды распадаются на ионы водорода и кислорода. Конечно, энергетическая мощность полей должна обеспечивать разрушение молекул воды. Спрашивается причем тут электроды, если энергия электрических и магнитных полей свободно проходит через не токопроводящие стенки водяного сосуда. Новизна изобретения заключается в том, что электроды электролизера изолированы диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого превосходит диэлектрическую проницаемость воды 80 единиц. Так как энергия электрического поля пропорциональна емкости водяного конденсатора и квадрату напряжения подаваемого на электроды водяного конденсатора, а энергия магнитного поля пропорциональна индуктивности и квадрату тока, проходящему через индуктивность то, увеличивая эти величины, можем регулировать производительность получения ионов кислорода и водорода.

Следует отметить, что при электролизе и предлагаемом изобретении общим является то, что при разложении воды на ионы участвует электрическое поле, а это значит, как указывалось выше, что изоляция электродов значения не имеет. Она лишь препятствует участию в реакции электродных металлов и исключает прохождению тока через воду, содержащую растворенные в ней примеси. При изоляции электродов исключается нагрев воды, что позволяет при сжигании водорода не используемую тепловую энергию использовать повторно для получения водорода и кислорода, замыкая тем самым энергетический цикл, что значительно увеличивает КПД устройства.

На фиг 1, 2, 3, 4 изображены устройства разложения воды на кислород и водород. Они содержит диэлектрический корпус 7 имеющий отверстия 3 входа воды (пара) и отверстия 4 для выхода не разложивсейся воды. Корпус содержит трубчатые полые (объемные) полости, представляющие отрицательные водородные электроды 23 и коаксиально водородным электродам попеременно через межэлектродное пространство 22 расположены трубчатые полые (объемные) полости представляющие положительные кислородные электроды 24. Диэлектрические перегородки содержащие газовые отверстия 6 разделяющие межэлектродные полости от водородных электродов 23 содержат токопроводящие отрицательные поверхности 25 а диэлектрические перегородки содержащие отверстия 6 разделяющие межэлектродные полости от кислородных электродов 24 содержат токопроводящие положительные поверхности 26. Кроме того объемы водородных электродов 23 перед выходом водорода через отверстия 19 содержат нейтрализационные отрицательные поверхности 14 а объемы кислородных электродов 24 перед выходом через выходные отверстия 18 кислорода содержат нейтрализационные положительные поверхности 15. Отрицательный и положительный потенциал на токопроводящие поверхности 25, 26 подается одновременно и представляет собой импульсное выпрямленное напряжение см. Фиг 2. Положительный потенциал на кислородную нейтрализационную поверхность 15 и отрицательный потенциал на водородную нейтрализационную поверхность 14 потенциалы которых представляют импульсное выпрямленное напряжение, импульсы которого подаются между импульсами подаваемыми на токопроводящие поверхности 25 и 26. Отверстия 6 расположенные на электродах служат для перемещения газовых ионов в электродные полости а также не разложивсейся воды к выходному отверстию 4. Подавая, на токопроводящие поверхности 25 и 26 импульсное напряжение и последовательно между этими импульсам подавая импульсное напряжение на нейтрализационные сетки 14 и 15 получаем нейтрализацию ионов водорода и кислорода которые под давлением через отверстия 19 и 18 поступают к дальнейшему использованию. Электроды 23 и 24 представляют полые обкладки водяного конденсатора. Эти водяные конденсаторы, которые с целью увеличения энергии электрического поля соединяем, параллельно получая один суммарный конденсатор, диэлектрическая проницаемость изоляции которого должна превышать диэлектрическую проницаемость воды. Образованный конденсатор, имеющий значительные электродную поверхность, диэлектрическую проницаемость, минимальное расстояние между электродами значительно увеличивает производимую им энергию электрического поля, что приводит к значительному увеличению производительности устройства разложения воды (пара) на кислород и водород. При подаче регулированного постоянного импульсного напряжения создается возможность регулировать производительность разложения воды и как следствие исключать выход

не разложившейся воды. Для максимального снижения, подаваемого на конденсатор постоянного напряжения с целью, обеспечения увеличения диапазона регулирования энергии электрического поля, используем энергию магнитного поля, вектор напряженности которого направлен перпендикулярно вектору электрического поля. Для этого используем трансформаторный излучатель, магнитопровод которого представляет собой замкнутый контур, выполненный из электротехнической стали с последовательно механически связанными спиралевидными (аналогично катушки индуктивности) частями 8 и линейной чатью 13, представляющие в сечении прямоугольную или круглую форму. Эффективность излучающего трансформатора заключается в том, что при длине волны в три тысячи километров магнитный поток через трансформаторные витки проходит столько раз, сколько длина магнитопровода укладывается в длине волны. Магнитный поток излучающего трансформатора представляет поток, проходящего через сталь и воду, для этого необходимо, чтобы спиралевидные витки трансформатора с левой и правой сторон имели противоположную обмотку. При подаче 50 герцового напряжения на первичную катушку 11 трансформатора происходит 100 герцовое изменение направления векторов магнитных напряженностей направленных перпендикулярно векторам электрического поля, что приводит к интенсификации разложения воды. Вторичная катушка 12 трансформатора через диоды производит последовательную подачу импульсов необходимой полярности на токопроводящие поверхности 24, 25 и нейтрализационные сетки 14, 15 см. фиг 2. Регулировка магнитной энергии может осуществляться катушкой 5 обратной связи на фиг 1 условно не показана. Эта катушка является нагрузкой вторичной катушки трансформатора и играет роль первичной. При совпадении векторов магнитных напряженностей катушек первичной и обратной связи получаем положительную обратную связь и наоборот при не совпадении векторов получаем отрицательную обратную связь.

Работа устройства заключается в том, что разложение происходит при действии на воду, протекающую по межэлектродным полостям электрического и магнитного поля при этом постоянное импульсное электрическое поле образуется путем подачи на объемные изолированные водородные электроды отрицательного потенциала и подачи на объемные изолированные кислородные электроды положительного потенциала, а вектор напряженности электрического поля направленный перпендикулярно вектору магнитного поля который образуется замкнутым магнитопроводом содержащим два спиралевидной формы закручивания с протекающей между закручиваниями водой и имеющими по отношению к воде противоположные полюса, таким образом, протекающая между электродами вода под действием электрического и магнитного полей разлагается на ионы водорода и кислорода при этом ионы водорода через отверстия 6 водородного электрода притягиваются отрицательным статическим полем образованным отрицательной токопроводящей водородной изолированной поверхностью внутрь водородного электрода аналогично ионы кислорода через отверстия 6 кислородного электрода притягиваются положительным статическим полем образованным положительной изолированной токопроводящей поверхностью, в которых водородные и кислородные ионы нейтрализуются соответственно отрицательными и положительными нейтрализационными поверхностями и в виде атомов выходят через каждые свои отверстия к дальнейшему практическому использованию. Электрическое поле, образовываемое токопроводящими поверхностями, имеет выпрямленный импульсный характер, между импульсами которого одновременно подаются на нейтрализационную не изолированную водородную поверхность, находящуюся в водородной полости отрицательный потенциал и на нейтрализационную не изолированную кислородную поверхность, находящуюся в кислородной полости положительный потенциал. При отсутствии в объемах электродов нейтрализационных поверхностей токопроводящие поверхности в промежутке между входными и выходными газовыми отверстиями имеют не изолированную внутреннюю поверхность.

Согласно фиг 4 объемные водородные и кислородные электроды с межэлэктодными полостями могут иметь в горизонтальном и вертикальных сечениях прямоугольную форму.

Ученые расщепили воду на водород и кислород, используя обычную батарейку

Ученые из Стэнфордского университета разработали необычное устройство, которое использует обычную 1,5-вольтовую батарейку, для расщепления воды на водород и кислород при комнатной температуре. Их разработка может являться дешевым и удобным способом для производства горючего для водородных автомобилей.

Расщепитель воды производится из относительно дешевых металлов, никеля и железа, через которые пропускается ток от обычной батарейки типа ААА, сообщает ресурс Gizmag.

«Нам впервые удалось расщепить воду при низком напряжении, используя недорогие металлы. Это очень важно, ведь ранее для подобных целей использовались дорогие металлы, такие как платина или иридий», — говорит ведущий исследователь Hongjie Dai.

Технология имеет огромный потенциал в качестве источника питания для водородных двигателей, которые уже давно пророчат на смену бензиновым. В отличие от бензиновых двигателей, которые производят много вредных выбросов в атмосферу, в качестве побочного продукта у водородных агрегатов является вода.

Ранее водородные двигатели критиковали за их высокую стоимость, отсутствие развитой инфраструктуры и низкую энергоэффективность. Однако, по мнению исследователей из Стэнфордского университета, их изобретение может значительно исправить большинство этих недостатков.

«На протяжении многих лет ученые пытались сделать недорогие электрокатализаторы с высокой эффективностью и длительным сроком службы. Когда мы обнаружили, что никель является столь же эффективным, как и платина, это стало для нас неожиданностью», — объясняет Hongjie Dai.

Катализатор из никеля и оксида никеля требует для расщепления воды значительно меньшее напряжение, по сравнению с чистым никелем или чистым оксидом никеля. Однако, как сообщают создатели, данная технология еще довольно «сырая» и не совсем готова для коммерческого использования.

В будущем ученые планируют разработать катализатор, работающий от солнечной энергии вместо батарейки. Ведь исследователи полагают, что их изобретение может существенно повлиять на производство водородных автомобилей. Кстати, напомним, что компания Toyota, планирует в следующем году представить автомобиль с двигателем, работающем на водороде.

Прорыв в водородной энергии: отделение H от h3O

Ниже приводится адаптированный отрывок из новой книги CRISPR People, перепечатанный с разрешения автора.

Я не вижу врожденных или неуправляемых этических барьеров для редактирования генома зародышевой линии человека. С другой стороны, я вижу очень мало хороших применений для этого. Это происходит главным образом потому, что другие технологии могут обеспечить почти все важные преимущества редактирования генома зародышевой линии человека, на которые можно надеяться, зачастую с меньшим риском. Особого внимания заслуживают две такие технологии: отбор эмбрионов и редактирование соматического генома.

Редактирование генов против выбора эмбрионов

Наиболее очевидным потенциальным преимуществом было бы редактирование эмбрионов или яйцеклеток и сперматозоидов, используемых для создания эмбрионов, чтобы избежать рождения детей, генетические вариации которых дадут им определенность или высокий риск специфическое генетическое заболевание. И здесь пора объяснить, как наследуются генетические заболевания или другие черты. Если болезнь или признак зависит только от одного гена, мы называем это менделевским состоянием или признаком по имени Грегора Менделя, австрийского монаха, который первым открыл этот вид наследования.Если задействовано более одного гена, мы ловко называем их неменделирующими состояниями или признаками. Большая часть обсуждения ниже посвящена менделевским условиям по той простой причине, что о них можно сказать больше.

Менделирующие состояния можно разделить на пять основных категорий, в зависимости от того, где находится соответствующая ДНК и сколько копий вызывающего заболевание варианта необходимо, чтобы вызвать заболевание: аутосомно-доминантный, аутосомно-рецессивный, X-связанный, Y -связанный, или митохондриальный.Аутосомно-доминантные заболевания требуют только одной копии вызывающей болезнь генетической вариации; при аутосомно-рецессивных заболеваниях требуется две копии, по одной от каждого родителя. Х-сцепленные заболевания обычно требуют двух копий у женщин (по одной от каждого родителя), но только по одной у мужчин (у которых только одна Х-хромосома, всегда унаследованная от матери). Y-сцепленные заболевания, которые являются необычными, встречаются только у мужчин и требуют только одной копии, потому что только мужчины имеют Y-хромосому, и обычно у них есть только одна ее копия. Митохондриальные заболевания передаются по наследству только от матери, и любая мать с этим заболеванием обязательно передаст его всем своим детям.

Зачем выбирать новый, более рискованный — и для многих сбивающий с толку — путь редактирования генов, а не просто отбор эмбрионов?

Итак, если эмбрион имеет 47 повторов CAG в соответствующей области гена хантингтина, он обречен (если родился) на аутосомно-доминантную болезнь Гентингтона. Можно использовать редактирование зародышевой линии, чтобы уменьшить эти 47 повторов до безопасного числа, менее 37, и таким образом предотвратить болезнь. Или, если у эмбриона есть две копии генетической вариации аутосомно-рецессивной болезни Тея-Сакса, его можно отредактировать так, чтобы у эмбриона была одна или не было копий, и он был бы безопасным.То же самое верно в отношении Х-сцепленных, Y-сцепленных или митохондриальных заболеваний.

Если это безопасно и эффективно, это может иметь смысл. Но другая технология, которая применяется в клинической практике около 30 лет, известна как (относительно) безопасная и эффективная и может делать то же самое — ПГД [преимплантационная генетическая диагностика]. ПГД включает взятие одной или нескольких клеток из эмбриона ex vivo, тестирование ДНК в этих клетках и использование результатов для определения того, переносить ли этот конкретный эмбрион в матку женщины для возможной имплантации, беременности и родов.Первый ребенок с ПГД родился в 1990 году. В 2016 году, последнем году, по которому имеются данные, Центры по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) сообщили, что около 22 процентов из примерно 260 000 циклов ЭКО, проведенных в этом году в Соединенных Штатах. включал PGD (или версию, называемую преимплантационным генетическим скринингом, или PGS). Это было примерно на 5 процентов больше, чем годом ранее. Как ни странно, из разговоров с людьми, работающими в клиниках ЭКО, кажется, что использование PGD или PGS в 2019 году вполне может превысить 50 процентов, по крайней мере, в некоторых районах Соединенных Штатов.

Если пара хочет избежать рождения ребенка с неприятным менделевским генетическим заболеванием или состоянием, они могут через десять или более лет использовать CRISPR или другие инструменты редактирования генов, чтобы изменить варианты эмбриона в более безопасную форму или, сегодня, они могли бы использовать PGD, чтобы выяснить, какие эмбрионы несут или не несут опасные варианты. При аутосомно-рецессивном заболевании поражается в среднем 25 процентов эмбрионов; для аутосомно-доминантного — 50 процентов. Даже для доминирующих условий, если посмотреть на 10 эмбрионов, шанс, что все 10 будут иметь «плохую» версию, составляет один из 1024. Если вам нужно изучить 20 эмбрионов, это будет один из 1 048 576.

Итак, зачем выбирать новый, более рискованный — и, для многих, сбивающий с толку — путь редактирования генов, а не просто отбор эмбрионов?

Кредит: JAAFAR ASHTIYEH через Getty Images

Редактирование генов в соматических клетках по сравнению с клетками зародышевой линии

Терапия соматическими клетками не изменяет зародышевую линию, и она представляет собой технологию, намного более безопасную и эффективную, чем редактирование генома зародышевой линии человека .Возможно, тот факт, что изменение происходит только в одной или нескольких из многих тканей тела, повысит его безопасность по сравнению с изменением, которое существует в каждой клетке, включая клетки, в которых конкретное изменение, не являющееся целевым, оказывает вредное воздействие.

С другой стороны, редактирование генома яйцеклетки, сперматозоида или зиготы требует изменения только одной клетки. Это может оказаться более эффективным, чем изменение, скажем, 100 миллионов кроветворных стволовых клеток или нескольких миллиардов клеток легких. Более того, редактирование соматических клеток не обязательно будет работать для всех условий.Для некоторых может потребоваться поражение слишком большого количества различных клеток или тканей. Для других повреждение может начаться до рождения или даже до стадии развития плода, когда внутриутробное соматическое редактирование становится правдоподобным. При заболеваниях с очень ранними последствиями терапия соматическими клетками может быть хуже, чем редактирование эмбрионов или отбор эмбрионов.

Даже когда соматическое редактирование возможно, редактирование генома зародышевой линии человека сохраняет одно преимущество: этот процесс не должен повторяться в следующем поколении.Если используется соматическое редактирование, у этого человека все равно останутся яйцеклетки или сперматозоиды, которые могут передать болезнь. Если она или он хочет избежать болезни ребенка, может потребоваться ПГД или генная терапия соматическими клетками. Если используется редактирование зародышевой линии, дети этого ребенка будут свободны от риска унаследовать болезнь от своих измененных родителей. Но это ошибка или особенность? Он добавляет выбор — не выбор для эмбриона, который редактируется или не редактируется, а для родителей этого эмбриона. Редактирование соматических клеток сохраняет возможность заболевания в следующем поколении, но позволяет родителям этого поколения принимать решение.Кто-то мог — а мог и не видеть — в этом выгоду.

Редактирование генов при мультигенных заболеваниях

В неменделирующих (иногда называемых мультигенными) болезнях ни один вариант не играет решающей роли в возникновении болезни. Вариации двух, двадцати или двухсот генов могут повлиять на состояние. В совокупности эти влияния могут составлять 100 процентов, хотя случаи, которые мы знаем сейчас, дают гораздо меньшую уверенность. Мы еще не знаем многих хороших примеров, хотя по крайней мере в одной статье утверждается, что были обнаружены убедительные доказательства того, что вариации различных генов, работающих вместе, увеличивают риск некоторых случаев аутизма. И, в более общем плане, мы знаем о многих комбинациях общих геномных регионов, которые (немного) увеличивают или снижают риск различных заболеваний или особенностей в частности изучаемых популяций. (Это привело к появлению горячей области «полигенных оценок риска», окончательное значение которой еще предстоит выяснить.)

Самая большая проблема с редактированием генома зародышевой линии человека для неменделирующих состояний заключается в том, что мы недостаточно знаем об этих условиях. . Мы считаем, что многие состояния не являются менделевскими, но сколько генов задействовано? Какие геномные вариации добавляют или уменьшают риск? Как сочетаются эффекты вариаций разных генов, создавая риски? В простом мире они были бы аддитивными: если наличие определенной вариации одного гена увеличивает риск заболевания у человека на 10 процентных пунктов, а наличие конкретной вариации другого гена увеличивает риск этого человека на 5 процентных пунктов, тогда наличие обоих повысит риск на 15 процентов. Но нет никакой внутренней причины, по которой природа должна работать таким образом; комбинированные эффекты могут быть больше или меньше их суммы. Возможно даже, что наличие двух вариантов, каждый из которых по отдельности увеличивает риск для человека, может каким-то образом снизить общий риск. Мы почти ничего не знаем о структуре этих неменделирующих или мультигенных рисков.

Ясно, однако, что в целом ПГД будет гораздо менее полезен при неменделирующих заболеваниях, чем при менделевских. Шансы найти эмбрион с «правильным» набором генетических вариаций в пяти разных точках генома будут намного меньше, чем найти эмбрион с одним «правильным» вариантом.Если шансы для какой-либо одной вариации равны 50/50, общие шансы для любых пяти вариаций в одном эмбрионе равны 1 к 32. Если бы редактирование генов могло безопасно и эффективно редактировать пять мест в геноме эмбриона (или в геномах двух гамет), он может дать желаемый результат. С другой стороны, если мы сможем использовать редактирование генома для этого у эмбриона или гамет, мы вполне сможем сделать то же самое у плода, младенца, ребенка или взрослого с помощью генной терапии соматических клеток — если только Состояние начинает причинять вред на раннем этапе развития или в достаточно широком смысле, чтобы доставлять его ко всем клеткам организма.

Практично ли редактирование генов?

Прямо сейчас не существует неменделевского состояния, при котором мы уверены, что знаем точный набор задействованных генов. Мы также не знаем отрицательных и положительных эффектов различных комбинаций генетических вариантов. Пока эти неопределенности не будут должным образом решены, редактирование генома зародышевой линии человека, хотя теоретически лучше, чем PGD, не будет достаточно безопасным или эффективным для использования. После их разрешения во многих ситуациях это будет не лучше, чем редактирование генома соматической клетки, за исключением возможного отсутствия необходимости поражать цели в нескольких тканях или типах клеток и отсутствия необходимости повторять редактирование для следующего поколения.

Адаптировано из CRISPR PEOPLE: Наука и этика редактирования людей Генри Грили. Авторское право 2021 г. Перепечатано с разрешения MIT PRESS.

Расщепление воды — Scientific American

Ключевые концепции
Вода
Химия
Электричество
Молекулы

Введение
Вы пользуетесь им каждый день и не можете без них выжить — нет, это не Интернет, а вода! Это одно из самых важных соединений в мире, и повсеместно оно становится все более важной проблемой. Вы, наверное, слышали, что во многих местах засуха или загрязнение воды ограничивают запасы чистой питьевой воды, и эти запасы продолжают сокращаться. Задумываясь об этом, вы когда-нибудь задумывались, почему мы не делаем воду только сами? Из чего на самом деле состоит вода? В этой научной деятельности вы будете использовать энергию в виде электричества для разделения воды на отдельные компоненты; так что соберите все материалы и будьте готовы узнать, что они из себя представляют, и сами разделите их!

Фон
Чтобы выяснить, из чего состоит вода, посмотрите ее химическую формулу — h3O.По сути, это говорит нам о том, что молекула воды состоит из двух элементов: водорода и кислорода или, точнее, двух атомов водорода (h3) и одного атома кислорода (O). Водород и кислород являются газами при комнатной температуре. Значит ли это, что мы можем просто объединить оба газа, и тогда мы получим воду? Это не так просто. В уравнении отсутствует энергетическая составляющая химической реакции. Изготовление воды из ее элементов производит большое количество энергии. Химические реакции, производящие энергию, также называются экзотермическими реакциями.В случае водорода и кислорода выделяемая энергия настолько велика, что ее практически невозможно контролировать, и в большинстве случаев это приводит к взрыву. К счастью, эта реакция не происходит спонтанно, а происходит только тогда, когда вы зажигаете газовую смесь зажигалкой.

Если делать воду из ее элементов так опасно, как насчет обратной реакции? Разделить воду на два компонента намного проще, и это называется электролизом воды. Получение водорода или кислорода таким способом кажется простым.Но, как вы, вероятно, подозревали, эта обратная реакция требует подвода энергии, поэтому ее еще называют эндотермической реакцией. При электролизе воды источником энергии, используемой для протекания реакции, является электричество. Самый простой способ вырабатывать электричество — использовать аккумулятор. Поскольку чистая вода плохо проводит электричество, электролиз требует добавления электролита , , такого как соль или кислота. Электролит растворяется в воде и разделяется на ионы (электрически заряженные частицы), которые перемещаются через растворы и могут таким образом проводить электричество.Чтобы добавить в раствор электричества, вам также понадобятся два электрических проводника, контактирующих с водой. Они называются электродами и состоят в основном из металлов или других проводящих материалов. Когда электрический ток подается на электроды, ионы (электрически заряженные атомы) в электролите, включая положительно заряженные протоны (H ⁺ ) и отрицательно заряженные гидроксильные ионы (OH ^—), которые возникают в результате самоионизации электролита. вода — начните движение к электроду с противоположным зарядом, где вырабатывается водород или кислород.Вы можете убедиться в этом сами в этом упражнении и даже уловить оба газа!

Материалы

• Водонепроницаемая рабочая зона
• Помощник для взрослых
• Графитовый механический карандаш (достаточно толстый, чтобы он не ломался) — или деревянный карандаш и нож, чтобы ваш взрослый помощник мог извлечь графит.
• Клей
• Пластилин или другая глина
• Два или три одноразовых пластиковых стакана (лучше всего подходят прозрачные пластиковые стаканчики на 18 унций.)
• Ножницы
• Перманентный маркер
• Две металлические кнопки
• Вода дистиллированная
• Пищевая сода
• 9-вольтовый аккумулятор
• Две прозрачные соломинки (большой размер)
• Чайная ложка
• Капельница медицинская
• Таймер
• Бумажные полотенца
• Тест-полоски pH (опционально)
• Поваренная соль (хлорид натрия — NaCl) (необязательно)

Препарат

• Ваше рабочее место должно быть водонепроницаемым; во время занятия могут произойти разливы воды.
• Соберите прочный механический карандаш графитовый. Убедитесь, что у вас есть две части длиной примерно 2,5 сантиметра (один дюйм). Если вы решите использовать деревянный карандаш, попросите взрослого взять нож и извлечь из карандаша графитовый грифель. (Для этого у вас также должны получиться две части примерно 2,5 сантиметра в длину). Это будут ваши графитовые электроды.
• Ножницами аккуратно разрежьте (или сделайте порез взрослым) открытый конец одного пластикового стаканчика так, чтобы он был на высоте девятивольтовой батареи.В нижней части чашки вырежьте отверстие, чтобы через него проходил кончик батареи (с двумя полюсами).
• Возьмите вторую чашку и держите ее нижней частью над девятивольтовой батареей. С помощью перманентного маркера на внутренней стороне чашки нарисуйте две точки на дне, где чашка касается двух полюсов батареи.
• Снимите чашку с аккумулятора и с помощью кнопки проделайте по одному отверстию в каждой отметке на дне пластикового стакана.
• Осторожно вставьте два графитовых штифта (стержень карандаша) в два отверстия, по одному в каждое. Возможно, вам придется сделать отверстия немного больше, чтобы они соответствовали друг другу.
• С помощью клея сделайте уплотнение вокруг графитовых штифтов на внешней стороне чашки и дайте ему высохнуть. Это должно предотвратить просачивание воды. Убедитесь, что графитовые штыри не покрыты клеем, иначе они больше не будут контактировать с аккумулятором.
• Поместите разрезанную чашку открытой стороной вниз над аккумулятором.Дно чашки и батарея должны соответствовать друг другу, образуя одну ровную поверхность, на которую вы можете поставить вторую чашку.
• Поместите чашку с графитовыми штифтами в перевернутую вырезанную чашку на аккумулятор. Он должен плотно прижаться, и каждый из графитовых штырей должен касаться одного из полюсов батареи.
• Запечатайте один конец обеих гигантских соломинок для питья пластилином или глиной.

Процедура

• Возьмите чашку с графитовыми штифтами и налейте примерно 300 миллилитров дистиллированной воды в чашку, подальше от аккумулятора.Убедитесь, что он не протекает. Если это так, вам может потребоваться добавить немного больше клея, чтобы сделать плотное прилегание. Примечание. Старайтесь не прикасаться к воде или электродам, когда чашка помещается на батарею, поскольку вы можете почувствовать покалывание пальцев от электричества.
• Как и раньше, поместите его на перевернутую вырезанную чашку сверху батареи так, чтобы каждый из графитовых штырей касался одного из полюсов батареи. Возможно, вам придется немного надавить на нее, чтобы установить хорошее соединение.Обратите внимание на два графитовых электрода. Что ты видишь? Что-нибудь происходит с электродами?
• Выньте стакан, наполненный дистиллированной водой, из аккумулятора. Залейте одну чайную ложку пищевой соды и размешайте ее с дистиллированной водой, пока все не растворится. Как вы думаете, что изменится пищевая сода? Какая у него функция?
• Теперь снова установите чашку на батарею и соедините графитовые электроды с полюсами батареи. Что вы наблюдаете сейчас? Что-нибудь происходит с графитовыми штифтами? Как вы думаете, каковы продукты реакции? Сравните реакции, которые происходят на каждом из графитовых электродов. Вы видите разницу между двумя сторонами? Есть ли один графитовый электрод, при котором реакция более выражена? К какому полюсу батареи подсоединен этот графитовый штифт, положительному или отрицательному?
• Засуньте нос в чашку и понюхайте продукты реакции. Есть запах? Если да, то как пахнет?
• Снова снимите чашку с аккумулятора.С помощью капельницы заполните обе забитые гигантские соломинки раствором пищевой соды изнутри чашки с графитовыми штифтами. Как только они наполнятся, закройте каждый из них одним пальцем и переверните их вверх дном. Погрузите их в чашку с раствором пищевой соды и осторожно поместите на графитовые булавки (по одной соломке на каждую), чтобы соломинки оставались полностью заполненными раствором пищевой соды. Если соломинки не стоят вертикально, их можно прислонить к стенке чашки. Как вы думаете, что будет с соломинкой?
• После того, как соломинки будут помещены на графитовые штифты, снова установите чашку на батарею. Оставьте на 10 минут и немного надавите на чашку, чтобы убедиться, что электроды остаются подключенными и электродные реакции протекают непрерывно в течение всего этого времени. Обратите внимание на соломинки, которые вы кладете поверх графитовых штифтов. Что происходит с водой, которую вы туда налили? Вы замечаете разницу между двумя уровнями воды в обеих соломинках? Какой из них выше, какой ниже; к каким полюсам батареи подключен каждый из них?
• По истечении 10 минут отметьте уровень воды в каждой соломке несмываемым маркером. Насколько больше воды было вытеснено продуктами реакции на отрицательном полюсе по сравнению с положительным полюсом? Это то же самое, двойное или тройное?
• Extra: Если у вас есть какие-либо pH-полоски, которые могут измерять кислотность или основность растворов, используйте их для измерения pH в каждой большой соломинке, когда уровень воды снизится примерно на 50 процентов. Осторожно снимите соломинку с электродов и сразу же закройте каждую из них пальцем, как только вы снимите ее с электродов.Убедившись, что вы не теряете воду, которая находится внутри, окуните внутрь тест-полоску pH. Какого цвета показывает тест-полоска и какой уровень pH показывает? Есть ли разница между растворами в двух соломинках? Чем они отличаются и почему, как вы думаете, это так?
• Экстра: Повторите эксперимент, но вместо добавления пищевой соды в дистиллированную воду добавьте чайную ложку поваренной соли (хлорид натрия или NaCl) и дайте электролизу поработать пять минут. Меняются ли электродные реакции? А как насчет запаха продуктов реакции; вы можете различить определенный запах на этот раз? Как вы думаете, почему это так?
• Дополнительно: Замените графитовые электроды металлическими кнопками. Для этого вам может понадобиться свежая чашка. Вставьте кнопки в нижнюю часть чашки, чтобы они не касались друг друга, но чтобы каждая из них касалась одного из полюсов батареи, как только вы поместите чашку на верхнюю часть батареи. При использовании канцелярских кнопок клейкая прокладка не требуется.Повторите первоначальную процедуру, но на этот раз добавьте в дистиллированную воду одну чайную ложку поваренной соли. Наблюдайте за реакцией электродов. Что происходит на этот раз? Посмотрите внимательно на штырь, который подсоединен к положительному полюсу аккумулятора. Вы можете видеть другие продукты реакции, кроме газа? Как вы думаете, что случилось? Как металлические канцелярские кнопки выглядят после того, как вы снова их вытащите?

Наблюдения и результаты
Удалось ли вам разделить воду на водород и кислород? Вы видели много пузырей на обоих графитовых штифтах? Изначально, когда вы ставили чашку с дистиллированной водой на батарею, вы, вероятно, не заметили, чтобы на графитовых электродах происходило много чего.Это связано с тем, что дистиллированная вода не очень хорошо проводит электричество, поэтому электродные реакции отсутствуют или возможны только незначительные. Однако если вы добавите электролиты, такие как пищевая сода, добавленные ионы могут проводить электричество, и вы должны были видеть пузырьки газа, появляющиеся на обоих графитовых штырях. С одной стороны, на положительном полюсе образуется кислород, тогда как на отрицательном полюсе образуется водород.

Присмотревшись, вы могли заметить, что на графитовом электроде, подключенном к отрицательному полюсу батареи, образовалось больше газа, чем на другой стороне.Сбор двух газов с помощью гигантских соломок, вероятно, продемонстрировал это даже лучше. Через 10 минут уровень воды на отрицательном полюсе должен был быть примерно вдвое ниже, чем на положительной стороне, а это означает, что вы собрали примерно вдвое больше газообразного водорода по сравнению с кислородом. Разница связана с тем, что одна молекула воды имеет два атома водорода на один атом кислорода, как объяснялось выше. Это означает, что для образования одной молекулы кислорода (O2) нужны две молекулы воды (2 ч3О). Однако в то же время две молекулы воды (2 h3O) могут образовать две молекулы водорода (2 h3).В то время как водород и кислород образуются на электродах, оставшимися продуктами реакции из воды являются протоны (H ⁺ со стороны кислорода) и ионы гидроксила (OH ^— со стороны водорода). Вы можете визуализировать это, поместив полоску pH в растворы в больших соломинках над каждым электродом. Раствор в соломке, помещенной на электрод отрицательного полюса батареи, должен показывать щелочной pH (7 или выше), тогда как другой раствор должен быть кислым (pH менее 7).

Могут происходить и другие электродные реакции, если в растворе есть ионы, которые конкурируют с производством водорода или кислорода. Вы могли заметить, что после того, как вы добавили соль (хлорид натрия) в свой электролит, он начал пахнуть, как в бассейне. Вместо кислорода на положительном полюсе батареи вырабатывается хлор, который также используется для дезинфекции воды в бассейне. Если вы использовали металлические канцелярские кнопки в качестве электродов вместо графитовых штифтов, металл (обычно сталь или латунь) будет растворяться или разъедать на положительном полюсе батареи и вместо (или в дополнение к) выделения газа вы должны увидеть, что металлическая канцелярская кнопка становится красновато-коричневым.Это демонстрирует, что электролиз — это не только метод расщепления воды на ее компоненты, но также может запускать другие реакции, которые в противном случае не происходили бы самопроизвольно.

Очистка
Удалите все разливы полотенцем. Слейте воду с электролитом (пищевой содой или солью) в канализацию. Снимите электроды (графитовые булавки или металлические канцелярские кнопки) с чашек и выбросьте их в мусорное ведро. Выбросьте пластиковые стаканчики и запечатанные большие соломинки в мусор.Вы можете повторно использовать девятивольтовый аккумулятор.

Больше для изучения
Почему мы не можем производить воду ?, из Как работает материал
Химия воды, из Джилл Грейнджер
Электролиз воды — водорода и кислорода из воды, из альтернативного обучения
Топливные элементы — топливо будущего !, from Science Buddies
Science Activity for All Ages! from Science Buddies

Это мероприятие предоставлено вам в сотрудничестве с Science Buddies

Метод получения кислорода из воды в условиях невесомости вселяет надежду на дальние космические путешествия

Следующее эссе перепечатано с разрешения The Conversation, онлайн-публикации, посвященной последним исследованиям.

Космические агентства и частные компании уже разработали планы по отправке людей на Марс в ближайшие несколько лет — окончательной его колонизации. А с ростом числа открытий планет, похожих на Землю, вокруг ближайших звезд, дальние космические путешествия никогда не казались более захватывающими.

Однако людям нелегко выжить в космосе в течение длительного периода времени. Одна из основных проблем, связанных с космическими полетами на большие расстояния, — это транспортировка достаточного количества кислорода, чтобы астронавты могли дышать, и топлива для питания сложной электроники.К сожалению, в космосе очень мало кислорода, а большие расстояния затрудняют быстрое пополнение запасов.

Но теперь новое исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что можно производить водород (для топлива) и кислород (для жизни) только из воды, используя полупроводниковый материал и солнечный свет (или звездный свет) в условиях невесомости, что обеспечивает устойчивую космические путешествия реальная возможность.

Использование неограниченных ресурсов солнца для питания нашей повседневной жизни — одна из самых больших проблем на Земле.Поскольку мы постепенно уходим от нефти к возобновляемым источникам энергии, исследователей интересует возможность использования водорода в качестве топлива. Лучший способ сделать это — расщепить воду (h3O) на составляющие: водород и кислород. Это возможно с помощью процесса, известного как электролиз, который включает пропускание тока через образец воды, содержащий некоторое количество растворимого электролита. Это расщепляет воду на кислород и водород, которые отдельно выделяются двумя электродами.

Хотя этот метод технически возможен, он еще не стал легкодоступным на Земле, поскольку нам нужно больше инфраструктуры, связанной с водородом, такой как станции заправки водорода, для ее масштабирования.

Сила солнца

Водород и кислород, полученные таким образом из воды, также можно использовать в качестве топлива на космических кораблях. На самом деле запуск ракеты с водой был бы намного безопаснее, чем запуск ее с дополнительным ракетным топливом и кислородом на борту, который может быть взрывоопасным. Оказавшись в космосе, специальная технология могла бы разделить воду на водород и кислород, которые, в свою очередь, можно было бы использовать для поддержания жизни или для питания электроники через топливные элементы.

Для этого есть два варианта. Один из них включает в себя электролиз, как мы делаем на Земле, с использованием электролитов и солнечных элементов для улавливания солнечного света и преобразования его в ток.

Альтернативой является использование «фотокатализаторов», которые работают за счет поглощения световых частиц — фотонов — полупроводниковым материалом, помещенным в воду. Энергия фотона поглощается электроном в материале, который затем подпрыгивает, оставляя дыру. Свободный электрон может реагировать с протонами (которые вместе с нейтронами составляют атомное ядро) в воде с образованием водорода.Между тем дыра может поглощать электроны из воды с образованием протонов и кислорода.

Процесс также можно обратить. Водород и кислород можно собрать вместе или «рекомбинировать», используя топливный элемент, возвращающий солнечную энергию, полученную в результате «фотокатализа» — энергию, которая может использоваться для питания электроники. В результате рекомбинации в качестве продукта образуется только вода, то есть вода также может быть переработана. Это ключ к дальним космическим путешествиям.

Процесс с использованием фотокатализаторов — лучший вариант для космических путешествий, поскольку оборудование весит намного меньше, чем необходимое для электролиза.По идее должно работать легко. Отчасти это связано с тем, что интенсивность солнечного света намного выше, поскольку атмосфера Земли не поглощает большие количества на своем пути к поверхности.

Управление пузырьками

В новом исследовании исследователи сбросили всю экспериментальную установку для фотокатализа на 120-метровую башню, создав среду, похожую на микрогравитацию. По мере того, как объекты ускоряются к Земле в свободном падении, влияние гравитации уменьшается, поскольку силы, действующие под действием гравитации, компенсируются равными и противоположными силами из-за ускорения.Это противоположно силам G, которые испытывают космонавты и летчики-истребители, когда они ускоряются в своих самолетах.

Исследователям удалось показать, что расщепление воды в этой среде действительно возможно. Однако, когда вода расщепляется, образуя газ, образуются пузырьки. Важно избавиться от пузырьков из однажды образовавшегося материала катализатора — пузырьки препятствуют процессу образования газа. На Земле гравитация заставляет пузыри автоматически всплывать на поверхность (вода у поверхности более плотная, чем пузыри, что делает их буйонантными), освобождая пространство на катализаторе для образования следующего пузыря.

В условиях невесомости это невозможно, и пузырек останется на катализаторе или рядом с ним. Тем не менее, ученые скорректировали форму наноразмерных элементов катализатора, создав зоны пирамидальной формы, где пузырь мог легко отделиться от наконечника и улететь в среду.

Но остается одна проблема. В отсутствие силы тяжести пузырьки останутся в жидкости, даже если они оттолкнулись от самого катализатора. Гравитация позволяет газам легко выходить из жидкости, что имеет решающее значение для использования чистого водорода и кислорода.Без силы тяжести пузырьки газа не всплывают на поверхность и не отделяются от смеси — вместо этого весь газ остается для образования пены.

Это резко снижает эффективность процесса из-за блокировки катализаторов или электродов. Технические решения этой проблемы станут ключом к успешному внедрению технологий в космос. Одна из возможностей заключается в использовании центробежных сил, возникающих при вращении космического корабля, для отделения газов от раствора.

Тем не менее, благодаря этому новому исследованию мы на шаг приблизились к длительным полетам человека в космос.

Эта статья изначально была опубликована на сайте The Conversation. Прочтите оригинальную статью.

Ученые разработали самый эффективный катализатор водоразделения на сегодняшний день

Ученые только что нашли новый дешевый и эффективный способ расщепления воды на водород и кислород — и это может означать, что в будущем мы сможем производить большое количество чистого водородного топлива.

Водород — фантастический источник чистой энергии, но задача состоит в том, чтобы сделать его достаточно эффективным и практичным по цене.Сообщается, что недавно разработанный катализатор решает обе проблемы, демонстрируя большую эффективность при более низкой стоимости, чем существующие решения, и он может работать в течение 20 часов подряд.

По словам ученых Хьюстонского университета, которые разработали катализатор, он отвечает всем требованиям с точки зрения долговечности и хранения энергии, а также стоимости и эффективности.

«Водород — это самый чистый первичный источник энергии на Земле», — говорит один из членов группы, Пол К. В. Чу. «Вода могла бы быть самым распространенным источником водорода, если бы можно было отделить водород от его прочной связи с кислородом в воде с помощью катализатора.»

Чтобы разделить воду на водород и кислород, необходимы две реакции — по одной для каждого элемента. Основная проблема заключалась в получении эффективного катализатора для кислородной части уравнения, которую, по словам исследователей, они сейчас взломали.

Катализатор состоит из метафосфата железа и проводящей пено-никелевой платформы, комбинация материалов, по словам команды, более эффективна и менее дорога, чем существующие решения.

Он также демонстрирует впечатляющую долговечность в ходе испытаний, работая дольше более 20 часов и 10000 циклов без сучка и задоринки.

Использование нового метода означает, что водород может производиться без образования отработанного углерода. Этого нельзя избежать при существующих методах производства, таких как паровой риформинг метана и газификация угля.

И до сих пор кислородные реакции часто основывались на электрокатализаторах, в которых использовались иридий, платина или рутений — «благородные» металлы, добыча которых является сложной и дорогой. Эксперты говорят, что кислородные реакции стали узким местом всего процесса.

Никель, напротив, более распространен, поэтому его легче и дешевле получить.Металл лежит в основе другого метода расщепления воды, открытого в прошлом году, поэтому теперь у ученых есть несколько способов улучшить производство водорода.

Само по себе расщепление обычно осуществляется за счет электрического тока или солнечной энергии, но поскольку вода захватывает только небольшую часть светового спектра, более продуктивно сначала преобразовывать солнечный свет в энергию, а затем использовать электричество для выделения водорода.

Если ученым удастся разгадать формулу, водород в конечном итоге сможет приводить в действие все, от домов до автомобилей.И это гораздо лучший вариант для окружающей среды, чем ископаемое топливо с выбросами CO2 — водородное топливо производит воду в качестве побочного продукта сгорания, что является экологически безопасным и экологически чистым.

И хорошая новость в том, что если путь электролиза воды не сработает, исследователи также изучают способы получения водорода из биомассы.

Чем меньше тепла и меньше энергии мы тратим на приготовление водорода, тем лучше для нашей планеты — а когда он будет готов, он станет намного чище и экологичнее, чем ископаемое топливо.

«Мы считаем, что наше открытие — гигантский шаг к практическому и экономичному производству водорода путем расщепления воды, который внесет значительный вклад в усилия по сокращению потребления ископаемого топлива», — говорят исследователи из Хьюстона.

Их результаты были опубликованы в PNAS .

Первая солнечная энергетическая система для разделения воды на водород и кислород на отдельных участках

Newswise — Исследователи из Техниона — Израильского технологического института разработали прототип системы для эффективного и безопасного производства водорода с использованием только солнечной энергии.Исследование, опубликованное в журнале Joule группой Cell , проводилось докторантом Авигейл Лэндман из Энергетической программы Гранд Технион вместе со студентом магистратуры Раваном Халаби с факультета материаловедения и инженерии. Исследование проводилось под совместным руководством профессора Гидеона Грейдера факультета химического машиностроения и профессора Авнера Ротшильда с факультета материаловедения и инженерии в сотрудничестве с профессором Аделио Мендес и доктором А.Паула Диаш из Университета Порту в Португалии.

Инновационная система содержит тандемное солнечное устройство, которое позволяет более эффективно использовать световой спектр. Часть солнечного излучения поглощается верхним слоем, состоящим из полупрозрачного оксида железа. Излучение, которое не поглощается в этом слое, проходит через него и впоследствии поглощается фотоэлектрическим элементом. Вместе два слоя системы обеспечивают энергию, необходимую для разложения воды.

От теории к применению:

Инновационная система является продолжением теоретического прорыва исследовательской группы Техниона, представленного в июньской статье 2017 года в Nature Materials . В этой статье исследователи представили парадигматический сдвиг в производстве водорода: вместо одной производственной ячейки, где вода расщепляется на водород и кислород, исследователи разработали систему, в которой водород и кислород образуются в двух совершенно разных ячейках.Это развитие важно отчасти потому, что смешивание кислорода и водорода создает взрывоопасное и опасное взаимодействие. Исследователи представили доказательство возможности лабораторной системы, работающей от обычного источника питания.

Теперь, в текущем исследовании Джоуля , исследователи представляют реализацию теории в прикладных разработках — прототип фотоэлектрохимической системы, которая производит водород и кислород в двух отдельных ячейках, используя только солнечный свет. В рамках эксперимента было проведено около 80 рабочих часов (10 дней по 8 часов), что продемонстрировало эффективность системы при естественном солнечном свете.Эксперимент проводился на факультете химического машиностроения Техниона.

Справочная информация:

Водород — очень востребованный материал во многих сферах нашей жизни. Большая часть производимого сегодня водорода используется для производства аммиака для производства удобрений, необходимых для современного сельского хозяйства. Кроме того, водород является одним из ведущих альтернативных источников топлива, особенно в автомобильной силовой установке. В контексте транспорта водород имеет несколько преимуществ перед минеральным топливом:

• он может быть получен из воды с использованием зеленой энергии, такой как солнечная энергия, что снижает зависимость от минерального топлива и зависимость от стран, богатых запасами нефти;
• Производство водорода из воды позволяет хранить экологически чистую энергию, которая доступна не все часы дня;
• В отличие от дизельных и бензиновых двигателей, которые загрязняют воздух в больших количествах, единственным побочным продуктом водородных двигателей является вода.

Сегодня большая часть водорода в мире производится из природного газа. Но вместе с этим происходит выброс углекислого газа (CO2), вред которого для окружающей среды хорошо известен. Альтернативный метод производства — электролиз — разложение воды (h30) на водород (h3) и кислород (O2). Хотя процесс электролиза был открыт более двухсот лет назад, разработано не так много технологий электролиза. В последние годы, с жизненно важным переходом на альтернативные источники энергии, стало ясно, что процесс электролиза необходимо усовершенствовать, чтобы он соответствовал этим источникам энергии.

На этом фоне развился фотоэлектрохимический процесс, который разрушает воду непосредственно с помощью солнечного излучения. Хотя и здесь есть разные технологические вызовы. Например, производство водорода с использованием обычного метода электролиза — разложения воды на водород и кислород в одной и той же производственной ячейке — сопряжено с риском, поскольку столкновение водорода и кислорода приводит к взрыву. Более того, в крупномасштабных солнечных полях очень сложно производить водород в такой конфигурации.Отсюда важность нынешнего прорыва, представленного в Джоулях .

Исследователи надеются, что ученые и промышленность продолжат работу и превратят систему в коммерческий продукт.

Исследование проводилось при поддержке Энергетической программы Нэнси и Стивена Гранд Технион (GTEP), при финансовой поддержке американского донора Эда Сателла, Фонда Аделиса, Министерства энергетики и Европейской комиссии (два гранта ERC), а также Национального научного фонда PAT Excellence. Центр.

Уже более века Технион — Израильский технологический институт является пионером в области научного и технологического образования и оказывает влияние на изменение мира.Технион, который гордится своим глобальным университетом, уже давно использует сотрудничество, пересекающее границы, для продвижения передовых исследований и технологий. Теперь, когда Технион присутствует в трех странах, он подготовит следующее поколение глобальных новаторов. Люди, идеи и изобретения Техниона вносят неизмеримый вклад в мир, внедряя инновации в областях от исследований рака и устойчивой энергетики до квантовых вычислений и информатики, чтобы творить добро по всему миру.

Американское общество Техниона поддерживает дальновидное образование и оказывает влияние на мир через Технион — Израильский технологический институт.Базируясь в Нью-Йорке, мы представляем тысячи американских доноров, выпускников и заинтересованных лиц, которые инвестируют в развитие Техниона и инновации, чтобы продвигать важные исследования и технологии, которые служат государству Израиль и всему миру. За более чем 75 лет наша общенациональная сеть сторонников финансировала новые стипендии Техниона, исследования, лаборатории и объекты, которые помогли внести изменения в мир и распространить образование Техниона на кампусы в трех странах.

Разделение воды на водород и кислород

Мы часто хотим подражать природе для почти идеальных результатов.Но иногда это остается просто желанием. В своем стремлении к зеленой и чистой энергии человечество ищет тот волшебный метод, который может расщеплять воду на водород и кислород. Природа прекрасно справляется с этой задачей в процессе фотосинтеза. Человек все еще сталкивается с трудностями при дублировании этого процесса в лаборатории. Если мы сможем расщепить воду на кислород и водород в присутствии солнечного света, мы сможем использовать потенциал водорода как чистого и экологически чистого топлива. На сегодняшний день искусственные системы довольно неэффективны, требуют больших затрат времени и денег и часто требуют дополнительного использования химических реагентов.

Исследователи из отдела органической химии Института Вейцмана под руководством профессора Дэвида Мильштейна разработали новый способ расщепления молекул воды, который может отделять кислород от воды и связывать атомы в другой молекуле. Этот метод оставляет водород свободным для соединения с другими соединениями. Их вдохновил фотосинтез — процесс, выполняемый растениями. Фотосинтез — это жизненная сила на Земле, потому что он является источником всего кислорода на Земле.

Новый подход, разработанный командой Вейцмана, включает три важных этапа, которые заканчиваются высвобождением водорода и кислорода с помощью специального металлического комплекса. Основным элементом этого металлического комплекса является рутений. Металлическая и органическая части этого «умного» комплекса помогают расщеплять молекулы воды. Когда вода смешивается с этим комплексом, связи между атомами водорода и кислорода разрываются. Здесь один атом водорода связывается с органической частью комплекса, атомы водорода и кислорода (группа ОН) — с его металлическим центром.

Вторая стадия известна как стадия нагрева. Здесь водный раствор нагревается до 100 ° C. При этом из комплекса выделяется газообразный водород. А вот и наш чистый и экологически чистый источник топлива. К металлическому центру добавляется еще одна группа ОН.

Мильштейн объясняет о волшебной третьей ступени: «Но самая интересная часть — это третья световая сцена. Когда мы подвергли этот третий комплекс воздействию света при комнатной температуре, не только образовался газообразный кислород, но и металлический комплекс вернулся в исходное состояние, которое можно было использовать повторно для использования в дальнейших реакциях.”

Результаты считаются уникальными из-за образования связи между двумя атомами кислорода, вызванного искусственным металлическим комплексом. Это очень необычное мероприятие. И до сих пор непонятно, как это может происходить. Ученые выяснили, что на третьем этапе свет дает энергию двум группам ОН, чтобы вместе образовать перекись водорода (h3O2). Эта перекись водорода быстро распадается на кислород и воду. Что Мильштейн думает об этой химической реакции? Он говорит: «Поскольку перекись водорода считается относительно нестабильной молекулой, ученые всегда игнорировали этот шаг, считая его маловероятным; но мы показали обратное.Еще одна интересная вещь, которую заметили Мильштейн и его команда, заключается в том, что связь между двумя атомами кислорода создается внутри одной молекулы. Это образование связи происходит не между атомами кислорода, расположенными на отдельных молекулах, а из одного металлического центра.

Самым большим достижением команды Мильштейна явилась разработка механизма образования водорода и кислорода из воды без использования химических агентов. Это было достигнуто с помощью отдельных шагов и использования света.В своем следующем проекте они намерены объединить эти этапы, чтобы создать эффективную каталитическую систему. Эти шаги могут оставить след в области альтернативной энергетики.

Разделение выделения водорода и кислорода при электролизе щелочной воды с использованием гидроксида никеля

1

Goff, A. L. et al. От гидрогеназ до каталитических наноматериалов без благородных металлов для производства и поглощения h3. Наука 326 , 1384–1387 (2009).

ADS Статья Google Scholar

2

Армароли, Н.& Бальзани, В. Проблема водорода. ChemSusChem 4 , 21–36 (2011).

CAS Статья Google Scholar

3

Рис, S. Y. et al. Беспроводное солнечное водоразделение с использованием полупроводников на основе кремния и катализаторов из большого количества земли. Наука 334 , 645–648 (2011).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

4

Тачибана, Ю., Вайсьер Л. и Даррант Дж. Р. Искусственный фотосинтез для солнечного расщепления воды. Нат. Фотоника 6 , 511–518 (2012).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

5

Льюис, Н. С. и Ночера, Д. Г. Энергия планеты: химические проблемы в использовании солнечной энергии. Proc. Natl Acad. Sci. США 103 , 15729–15735 (2006).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

6

Густ, Д., Мур, Т. А. и Мур, А. Л. Использование солнечного топлива посредством искусственного фотосинтеза. В соотв. Chem. Res. 42 , 1890–1898 (2009).

CAS Статья Google Scholar

7

Cook, T. R. et al. Поставка и хранение солнечной энергии для мира наследия и мира, не относящегося к наследию. Chem. Ред. 110 , 6474–6502 (2010).

CAS Статья Google Scholar

8

Swierk, J.Р. и Маллоук, Т. Е. Проектирование и разработка фотоанодов для водоразделительных фотоэлектрохимических ячеек, сенсибилизированных красителем. Chem. Soc. Ред. 42 , 2357–2387 (2013).

CAS Статья Google Scholar

9

Kanan, M. W. & Nocera, D. G. In situ образование катализатора, выделяющего кислород, в нейтральной воде, содержащей фосфат и Co ²⁺ . Наука 321 , 1072–1075 (2008).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

10

Luo, J. S. et al. Фотолиз воды с эффективностью 12,3% с помощью перовскитных фотоэлектрических элементов и катализаторов, содержащих много земли. Наука 345 , 1593–1596 (2014).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

11

Дасгупта, Н. П., Лю, К., Эндрюс, С., Принц, Ф. Б. и Янг, П. Д. Осаждение атомных слоев платиновых катализаторов на поверхности нанопроволок для фотоэлектрохимического восстановления воды. J. Am. Chem. Soc. 135 , 12932–12935 (2013).

CAS Статья Google Scholar

12

Swierk, J. R. et al. Безметалловые органические сенсибилизаторы для использования в фотоэлектрохимических ячейках, сенсибилизированных красителями и расщепляющими воду. Proc. Natl Acad. Sci. США 112 , 1681–1686 (2015).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

13

Сиболд, Дж.A. & Choi, K. S. Эффективное и стабильное фотоокисление воды фотоанодом ванадата висмута в сочетании с катализатором выделения кислорода оксигидроксида железа. J. Am. Chem. Soc. 134 , 2186–2192 (2012).

CAS Статья Google Scholar

14

Guerrini, E. & Trasatii, S. in Catalysis for Sustainable Energy Production eds Barbaro P., Bianchini C. 235–269 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA (2009).

15

Barbir, F. Электролиз PEM для производства водорода из возобновляемых источников энергии. Sol. Энергия 78 , 661–669 (2005).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

16

Гандия, Л. М., Ороз, Р., Урсуа, А., Санчис, П. и Диегес, П. М. Производство возобновляемого водорода: характеристики электролизера на щелочной воде, работающего в условиях имитации ветра. Energy Fuels 21 , 1699–1706 (2007).

Артикул Google Scholar

17

Холладей, Дж. Д., Ху, Дж., Кинг, Д. Л. и Ван, Ю. Обзор технологий производства водорода. Катал. Сегодня 139 , 244–260 (2009).

CAS Статья Google Scholar

18

МакКрори, К.С.Л., Юнг, С., Петерс, Дж. К. и Харамилло, Т.F. Тестирование гетерогенных электрокатализаторов для реакции выделения кислорода. J. Am. Chem. Soc. 135 , 16977–16987 (2013).

CAS Статья Google Scholar

19

Сантивич, Дж., Мэй, К. Дж., Гастайгер, Х. А., Гуденаф, Дж. Б. и Янг, С. Х. Оксид перовскита, оптимизированный для катализа выделения кислорода на основе принципов молекулярной орбиты. Наука 334 , 1383–1385 (2011).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

20

Subbaraman, R. et al. Повышение активности выделения водорода при расщеплении воды за счет адаптации границ раздела Li ⁺ -Ni (OH) 2-Pt. Наука 334 , 1256–1260 (2011).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

21

Jin, H.Y. et al. In situ гибриды оксида кобальта-кобальта / углерода, легированного азотом, как превосходные бифункциональные электрокатализаторы для выделения водорода и кислорода. J. Am. Chem. Soc. 137 , 2688–2694 (2015).

CAS Статья Google Scholar

22

Накагава Т., Бизли К. А. и Мюррей Р. В. Эффективное электроокисление воды вблизи ее обратимого потенциала с помощью мезопористой пленки наночастиц IrOx. J. Phys. Chem. С 113 , 12958–12961 (2009).

CAS Статья Google Scholar

23

Гао, М.R. et al. Эффективное окисление воды с использованием наноструктурированного α-гидроксида никеля в качестве электрокатализатора. J. Am. Chem. Soc. 136 , 7077–7084 (2014).

CAS Статья Google Scholar

24

Луи М. В. и Белл А. Т. Исследование тонкопленочных оксидных катализаторов Ni-Fe для электрохимического выделения кислорода. J. Am. Chem. Soc. 135 , 12329–12337 (2013).

CAS Статья Google Scholar

25

Конг, Д.С., Ван, Х. Т., Лу, З. Ю. и Цуй, Ю. Наночастицы CoSe2, выращенные на бумаге из углеродного волокна: эффективный и стабильный электрокатализатор для реакции выделения водорода. J. Am. Chem. Soc. 136 , 4897–4900 (2014).

CAS Статья Google Scholar

26

Voiry, D. et al. Повышенная каталитическая активность в напряженных химически расслоенных нанолистах WS2 для выделения водорода. Нат. Матер. 12 , 850–855 (2013).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

27

Эспозито, Д. В., Хант, С. Т., Киммел, Ю. К. и Чен, Дж. Г. Г. Новый класс электрокатализаторов для производства водорода путем электролиза воды: монослои металлов, нанесенные на недорогие карбиды переходных металлов. J. Am. Chem. Soc. 134 , 3025–3033 (2012).

CAS Статья Google Scholar

28

Чжан, П.L., Wang, M., Yang, Y., Yao, T. Y. и Sun, L. C. Молекулярный медный катализатор для электрохимического восстановления воды с большой константой скорости образования водорода в водном растворе. Angew. Chem. Int. Эд. 53 , 13803–13807 (2014).

CAS Статья Google Scholar

29

Menezes, P. W. et al. Шпинели на основе кобальта-марганца как многофункциональные материалы, объединяющие реакции каталитического окисления воды и восстановления кислорода. ChemSusChem 8 , 164–171 (2015).

CAS Статья Google Scholar

30

Блур, Л. Г., Молина, П. И., Саймс, М. Д. и Кронин, Л. Электролитическое расщепление воды с низким pH с использованием обильных на земле метастабильных катализаторов, которые самоорганизуются на месте. J. Am. Chem. Soc. 136 , 3304–3311 (2014).

CAS Статья Google Scholar

31

Тротошо, Л., Ранни, Дж. К., Уильямс, К. Н. и Ботчер, С. У. Электрокатализаторы тонкой пленки из оксида металла, отлитые из раствора, для выделения кислорода. J. Am. Chem. Soc. 134 , 17253–17261 (2012).

CAS Статья Google Scholar

32

Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н. Производство чистого водорода электролизом ПЭМ для получения водородной энергии. Внутр. J. Hydrogen Energy 31 , 171–175 (2006).

CAS Статья Google Scholar

33

Маршалл А. Т., Сунде С., Цыпкин М. и Тунольд Р. Характеристики электролизера воды на основе ПЭМ с использованием электрокатализаторов IrxRuyTazO2 для электрода выделения кислорода. Внутр. J. Hydrogen Energy 32 , 2320–2324 (2007).

CAS Статья Google Scholar

34

Ченг, Дж. Б., Чжан, Х.М., Чен, Г. Б. и Чжан, Ю. Н. Исследование оксидов IrxRu1-xO2 в качестве анодных электрокатализаторов для электролиза воды с твердым полимерным электролитом. Электрохим. Acta 54 , 6250–6256 (2009).

CAS Статья Google Scholar

35

Wei, G.Q. et al. Стабильность МЭБ при электролизе воды ТФЭ для получения водорода. Внутр. J. Hydrogen Energy 35 , 3951–3957 (2010).

CAS Статья Google Scholar

36

Ленг, Ю.J. et al. Твердотельный электролиз воды с щелочной мембраной. J. Am. Chem. Soc. 134 , 9054–9057 (2012).

CAS Статья Google Scholar

37

Цзэн К. и Чжан Д. К. Последние достижения в области электролиза щелочной воды для производства и применения водорода. Progr. Энергия сгорания. Sci. 36 , 307–326 (2010).

CAS Статья Google Scholar

38

Лю, П.W. T. & Srinivasan, S. Достижения в технологии электролиза воды с упором на использование твердого полимерного электролита. J. Appl. Электрохим. 9 , 269–283 (1979).

CAS Статья Google Scholar

39

Саймс М. Д. и Кронин Л. Разделение выделения водорода и кислорода во время электролитического расщепления воды с использованием буфера с электронно-связанными протонами. Нат. Chem 5 , 403–409 (2013).

CAS Статья Google Scholar

40

Рауш Б., Саймс М. Д., Чисхолм Г. и Кронин Л. Отделение каталитического выделения водорода от окислительно-восстановительного медиатора оксида металла при расщеплении воды. Наука 345 , 1326–1330 (2014).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

41

Маллук, Т. Э. Разделяй и властвуй. Нат.Chem. 5 , 362–363 (2013).

CAS Статья Google Scholar

42

Vengatesan, S., Santhi, S., Jeevanantham, S. & Sozhan, G. Кватернизованные анионообменные компоненты поли (стирол-винилбензилхлорид) для электролизеров щелочной воды. J. Источники энергии 284 , 361–368 (2015).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

43

Дай, Дж.X., Li, S. F. Y., Xiao, T. D., Wang, D. M. & Reisner, D. E. Структурная стабильность стабилизированного алюминием гидроксида альфа-никеля в качестве положительного электрода для щелочных вторичных батарей. J. Источники энергии 89 , 40–45 (2000).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

44

Олива, П., Леонарди, Дж., Лоран, Дж. Ф., Дельмас, К., Браконье, Дж. Дж. И Фигларц, М. Обзор структуры и электрохимии гидроксидов и оксигидроксидов никеля. J. Power Sources 8 , 229–255 (1982).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

45

Гради, У. Э., Пандья, К. И., Свайдер, К. Э. и Корриган, Д. А. In situ Рентгеновское поглощение вблизи краевой структуры, свидетельствующее о наличии четырехвалентного никеля в электродах никелевых батарей. J. Electrochem. Soc. 143 , 1613–1616 (1996).

Артикул Google Scholar

46

Корриган, Д.А. и Найт, С. Л. Электрохимические и спектроскопические данные об участии четырехвалентного никеля в окислительно-восстановительной реакции гидроксида никеля. J. Electrochem. Soc. 136 , 613–619 (1989).

CAS Статья Google Scholar

47

Барде, Ф., Паласин, М. Р., Чабре, Ю., Иснар, О., Тараскон, Ж.-М. In situ Порошковая нейтронная дифракция электрода из гидроксида никеля. Chem.Матер. 16 , 3936–3948 (2004).

Артикул Google Scholar

48

Cheng, J. et al. Предварительные исследования однопоточного цинк-никелевого аккумулятора. Electrochem. Commun. 9 , 2639–2642 (2007).

CAS Статья Google Scholar

49

Шивкумар Р., Калайнан Г. П. и Васудеван Т. Рабочие характеристики элемента Zn / NiOOH. Бык. Электрохим. 15 , 347–349 (1999).

CAS Google Scholar

50

Adler, T.C. et al. Перезаряжаемый цинковый элемент со щелочным электролитом, который препятствует изменению формы цинкового электрода. Патент США 5,453,336 (1995).

51

Луо, Дж. Й., Цуй, У. Дж., Хе, П. и Ся, Ю. Й. Повышение устойчивости водных литий-ионных аккумуляторов к циклированию за счет удаления кислорода из электролита. Нат.Chem. 2 , 760–765 (2010).

Артикул Google Scholar

52

Wang, Y.G. et al. Высокопроизводительный гибридный суперконденсатор на основе графеновых нанопроволок Ni (OH) 2 и упорядоченного мезопористого углерода CMK-5.