Хьюстен, у нас... Новый гибридный катализатор для расщепления воды

3 июля 2018



Исследователи Университета Хьюстена и Калифорнийского технологического университета сообщили об открытии недорогого, подходящего для крупномасштабного поточного производства гибридного катализатора для расщепления воды с целью получения водорода.

Скриншот видеоролика, который демонстрирует действие гибридного катализатора в процессе расщепления воды.

Большинство систем для расщепления воды на отдельные компоненты — водород и кислород — требуют применения двух катализаторов, одного для активации реакции отделения водорода, а второго для получения кислорода. Новый катализатор состоит из фосфида железа и диникелевого фосфида из доступного по цене пенного никеля и выполняет обе эти функции. Эти недорогие расходные материалы для лаборатории Хьюстенского университета стали настоящим большим открытием. Ученые уверяют, что их катализатор обладает потенциалом для того, чтобы значительно снизить количество энергии, требуемой для производства водорода из воды, одновременно создавая высокую плотность тока, которая является ключевым условием производства водорода. Снижение уровня требующейся для процесса энергии означает, что производство водорода станет более дешевым.

«Это сделает нас ближе к коммерциализации», — говорит Зифенг Рен, профессор физики медицинского центра им. М. Д. Андерсона (Хьюстон, Техас, США), главный автор статьи о новом катализаторе, опубликованной 29 июня 2018 года в «Nature Communications». Водород считается одним из самых желаемых источников чистой энергии, способным стать топливным элементом для электрических моторов или двигателей внутреннего сгорания, а также удовлетворить целый ряд других индустриальных нужд. Так как он может быть сжат или преобразован в жидкое состояние, его легче хранить, чем многие другие формы энергии, говорит Рен, который кроме работы в медицинском центре является сотрудником Техасского центра по сверхпроводимости и перспективным материалам (Университет Хьюстона). Но поиск практичного, недорогого и экологически чистого пути получения больших количеств водорода, особенно посредством расщепления на составляющие воды, было очень и очень трудной задачей.

Большая часть водорода в настоящее время получают путем преобразования паров метана и газификации угля. Эти методы повышают так называемый «углеродный след» (выброс диоксида углерода в атмосферу, связанный с деятельностью людей), даже если сжигание производится максимально аккуратно. Пока традиционными катализаторами, которые могут производить водород из воды, являются металлы платиновой группы, редко встречающиеся и поэтому дорогие. Цена такого производства настолько высока, что делает крупномасштабное расщепление воды непрактичным, говорит соавтор исследования доцент в области физики Шуо Чен. «В противоположность этому, наш катализатор состоит из часто встречающихся в земной коре веществ, и в то же время обладает характеристиками, сопоставимыми с платиноидами», — говорит она. «Потенциально низкая стоимость может расширить сферу применения, так как это делает данный катализатор очень перспективным в плане возможности коммерциализации расщепления воды». Исследователи сообщили, что катализатор остается неизменно эффективным в течение более чем 40 часов непрерывного использования. Новый катализатор доказал, что может стать выдающимся бифункциональным катализатором для полного расщепления воды, показывая экстремально высокие результаты при активации обеих реакций: и OER (от англ. oxygen evolution reaction — реакция выделения кислорода), и HER (hydrogen evolution reaction — реакция выделения водорода), в одном и том же щелочном электролите. Он действительно устанавливает новый рекорд в водных щелочных электролитах (1.42 V дают 10 mA cm2), в то время как платиновому катализатору, чтобы осуществить эту реакцию нужно напряжение величиной 32 милливольта. Достижение плотности тока, которая необходима для расщепления воды, посредством как можно более низкого напряжения повышает эффективность реакции, а также снижает затраты на ее проведение. По словам исследователей, в конце концов им удалось приблизиться к 40 милливольтам. С коммерческой точки зрения нужно добиться плотности тока в 500 мА см2. Сейчас ученые исследователи сосредоточены на том, чтобы снизить требуемое напряжение. В ранее применяющихся катализаторах использовались различные материалы для активации реакций образования водорода и кислорода. Рен заявляет, что взаимодействие между фосфидом железа и диникелевым фосфидом повышает скорость обоих процессов. «Так или иначе, но совместные усилия двух материалов лучше, чем действие двух веществ по отдельности», — добавил ученый.