В условиях растущего дефицита пресной воды, ученые из Японии и Китая совершили прорыв, разработав инновационный метод очистки морской воды, основанный на использовании усовершенствованных электродов. Новая технология опреснения, представленная в авторитетном научном журнале Nature Communications, открывает новые горизонты в борьбе за доступ к чистой питьевой воде. Ключевую роль в исследовании сыграли профессор Юсуке Ямаучи из Нагойского университета и профессор Синтао Сюй из Чжэцзянского океанического университета.
Профессор Ямаучи подчеркнул актуальность разработки: «Увеличение численности населения планеты неумолимо ведет к обострению проблемы нехватки воды. Мы поставили перед собой амбициозную задачу – разработать материал, который бы не просто соответствовал, а превосходил по эффективности существующие решения, включая зарекомендовавший себя активированный уголь».
В основе новой технологии лежит процесс удаления ионов из морской воды с помощью специально разработанных электродов. Принцип действия заключается в следующем: электроды притягивают из воды растворенные соли и минералы (ионы), которые накапливаются на поверхности электрода, формируя так называемый двойной электрический слой. В результате вода становится деионизированной и пригодной для питья. Важно отметить, что извлеченные ионы не утилизируются, а могут быть регенерированы из электродов и использованы повторно в различных промышленных процессах, например, для получения соединений натрия.
В традиционных методах опреснения часто применяются пористые углеродные электроды, структура которых, благодаря наличию микроскопических пор, обеспечивает большую площадь поверхности для улавливания ионов. Однако, исследователи пошли дальше, применив метод «гетероатомного легирования». Суть этого подхода состоит в модификации структуры материала путем добавления определенных атомов, что позволяет значительно улучшить его электропроводность и стабильность.
Ученые сделали ставку на кислород в качестве легирующего элемента. «Мы выбрали кислород, поскольку он демонстрирует синергетический эффект в сочетании с азотом, усиливая способность материала поглощать ионы. Эксперименты показали, что в присутствии кислорода сродство азота к ионам существенно возрастает», – поясняет Асакура, один из соавторов исследования. «Оказалось, что кислород играет ключевую, ранее недооцененную роль в процессе емкостной деионизации, и наша команда впервые смогла это доказать».
В ходе экспериментов был выявлен еще один неожиданный, но крайне важный эффект: кислородное легирование не только улучшило ионную адсорбцию, но и привело к увеличению удельной поверхности электродов. Вероятно, это связано с изменениями в процессе карбонизации материала под воздействием кислорода. Увеличенная площадь поверхности, в свою очередь, напрямую способствует повышению эффективности очистки воды.
Профессор Ямаучи призывает научное сообщество не упускать из виду, казалось бы, очевидные подходы: «Возможность применения кислорода в данном процессе была недооценена многими исследовательскими группами. Именно поэтому мы акцентировали внимание на «раскрытии недооцененной роли кислородного легирования» в названии нашей публикации».
Несмотря на то, что углеродные материалы сами по себе относительно недороги, новая разработка, по мнению ученых, позволит еще больше снизить себестоимость опреснения воды. Это открывает перспективы для обеспечения доступной питьевой водой прибрежных регионов, испытывающих ее дефицит. Помимо решения проблемы водоснабжения, данная технология имеет большой потенциал в автомобилестроении, в частности, в разработке более эффективных и экономичных топливных элементов для водородных автомобилей, где подобные электроды играют ключевую роль.