Новый недорогой катализатор расщепляет молекулы воды так же эффективно, как и платина
Дешёвый катализатор для получения водорода из воды, созданный исследователями в Калифорнийского университета в Беркли, обладает такой же эффективностью как платиновый — являющийся на сегодняшний день самым лучшим, но при этом и самым дорогим катализатором.
Катализатор Jell—O состоит из листков карбида металла нанометровой толщины, и получается в процессе самосборки, использующем в своей основе желатин.
«Платина стоит дорого, и было желательно найти ей альтернативу, — говорит ведущий автор разработки Ливей Лин, являющийся профессором машиностроения. — Мы действительно используем в производстве Jell—O этот съедобный материал как основу, смешивая его с распространёнными соединениями, и получаем дешёвый катализатор для важной каталитической реакции».
Электрическое напряжение способно разрушить молекулу воды, с выделением кислорода и водорода, который может использоваться как источник энергии в водородных топливных элементах. Также водород может быть полезен для хранения энергии, получаемой от непостоянных возобновляемых источников, таких как солнце и ветер.
Но для этого недостаточно просто поместить электроды в сосуд с водой — такой прямолинейный способ крайне неэффективен. Уже 20 лет учёные ищут катализаторы, способствующие расщеплению воды электротоком, которые могут сделать этот процесс рентабельным в промышленном масштабе.
«Традиционный способ получения водорода из водяного пара приводит к образованию углекислого газа как побочного продукта, — говорит один из авторов работы, аспирант Сининг Жан. — В последнее десятилетие получило распространение электрокаталитическое получение водорода, отвечающее потребности снижения выбросов углекислого газа. Создание высокоэффективного и дешёвого катализатора для электролиза воды окажет большое влияние на экономику и общество».
Предложенный учёными рецепт создания катализатора весьма прост — они смешали в воде желатин и ионы металлов (молибдена, вольфрама или кобальта) и затем высушили эту смесь.
«Мы полагаем, что при высыхании происходит послойная самосборка желатина, — говорит Ливей Лин. — При этом ионы металлов также располагаются слоями, вместе с желатином, и эти листы придают Jell-O характерную зеркальную поверхность».
Нагревание до 600 градусов Цельсия запускает реакцию между ионами и атомами углерода в желатине, при этом образуются большие листки карбида металла нанометровой толщины. Избыток желатина выгорает.
Для проверки эффективности катализатор поместили в воду и пропустили через неё электрический ток. Самым эффективным оказался карбид молибдена, за ним шел карбид вольфрама и карбид кобальта, который хуже всех способен формировать тонкие слои. Добавка небольшого количества ионов кобальта к молибдену повышала производительность.
«Вполне возможно, что другие карбиды покажут ещё большую эффективность», — говорит Ливей Лин.
Двумерность катализатора является причиной его успеха. Дело в том, что вода должна контактировать с катализатором, и большая поверхностная площадь листков обеспечивает высокую производительность на единицу массы.
Простота этой технологии позволяет легко внедрить ее для производства катализатора в больших объёмах.
«Мы обнаружили, что эффективность этого катализатора очень близка к лучшим катализаторам из платины и углерода, которые являются своего рода ‘золотым стандартом’ в данной области — и он сможет заместить платину».
18.12.2018 13:26
