Выработка чистой электроэнергии с помощью куриных перьев. от Автора: Vanessa Bleich, ETH Zurich
Пищевая промышленность производит огромное количество отходов и побочных продуктов, в том числе при производстве мяса птицы. Каждый год сжигается около 40 миллионов метрических тонн куриных перьев. При этом не только выделяется большое количество CO2, но и образуются токсичные газы, такие как диоксид серы.
Исследователи из ETH Zurich и Наньянского технологического университета Сингапура (NTU) теперь нашли способ найти этим перьям хорошее применение. Используя простой и экологически чистый процесс, они извлекают белок кератин из перьев и преобразуют его в ультратонкие волокна, известные как амилоидные фибриллы. Эти кератиновые фибриллы в дальнейшем используются в мембране топливного элемента. Их исследование было опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Топливные элементы вырабатывают электроэнергию без CO2 из водорода и кислорода, выделяя только тепло и воду. Они могли бы сыграть важную роль в качестве устойчивого источника энергии в будущем. В основе каждого топливного элемента лежит полупроницаемая мембрана. Он пропускает протоны, но блокирует электроны, заставляя их проходить по внешней цепи от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду, тем самым вырабатывая электрический ток.
Рациональное использование промышленных отходов
В обычных топливных элементах эти мембраны до сих пор изготавливались с использованием высокотоксичных химикатов, или «вечных химикатов», которые являются дорогостоящими и не разрушаются в окружающей среде. С другой стороны, мембрана, разработанная исследователями ETH и NTU, состоит в основном из биологического кератина, который совместим с окружающей средой и доступен в больших количествах — куриные перья на 90% состоят из кератина. Это означает, что мембрана, изготовленная в лаборатории, уже сейчас в три раза дешевле обычных мембран.
«Я посвятил несколько лет исследованию различных способов использования пищевых отходов для систем возобновляемой энергетики», — говорит Раффаэле Меззенга, профессор пищевых продуктов и мягких материалов в ETH Zurich. «Наша последняя разработка замыкает цикл: мы берем вещество, выделяющее CO2 и токсичные газы при сжигании, и используем его в других условиях: с помощью нашей новой технологии оно не только заменяет токсичные вещества, но и предотвращает выброс CO2, сокращая общий цикл выброса углекислого газа», — говорит Меззенга.
Универсальное применение
Однако, прежде чем водород сможет утвердиться в качестве устойчивого источника энергии, необходимо преодолеть еще ряд проблем. «Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, но, к сожалению, не на Земле», — говорит Меззенга. Поскольку водород здесь не встречается в чистом виде, его необходимо производить, что требует большого количества энергии. И здесь новая мембрана также может сослужить хорошую службу в будущем, поскольку ее можно использовать не только в топливных элементах, но и для расщепления воды.
В процессе, известном как электролиз, постоянный ток пропускается через воду, в результате чего на (на этот раз) положительно заряженном аноде образуется кислород, в то время как водород выделяется на отрицательно заряженном катоде.
Чистая вода недостаточно электропроводна для этого процесса и часто требует добавления кислот. Однако новая мембрана проницаема для протонов и, таким образом, обеспечивает миграцию частиц между анодом и катодом, необходимую для эффективного расщепления воды даже в чистой воде. Следующим шагом исследователей будет изучение того, насколько стабильна и долговечна их кератиновая мембрана, и при необходимости ее улучшение.
More information: Wei Long Soon et al, Renewable Energy from Livestock Waste Valorization: Amyloid-Based Feather Keratin Fuel Cells, ACS Applied Materials & Interfaces (2023). DOI: 10.1021/acsami.3c10218
Journal information: ACS Applied Materials and Interfaces
Provided by ETH Zurich