Буквально на днях мы сообщили о том, что исследователи нашли способ сократить количество платины в катализаторах топливных элементов, а сегодня стало известно, что американские исследователи открыли новый эффективный катализатор совсем без платины. Дешевый аналог, который разработали ученые из Калифорнийского университета в Беркли, способен вырабатывать водородное топливо из воды с эффективностью платины, которая пока является самым эффективным, но и самым дорогим катализатором реакции расщепления воды. Катализатор состоит из листов карбида нанометровой толщины. Изготовлен он с помощью процесса самосборки, основанного на совершенно неожиданном ингредиенте — желатине. — Платина дорогая, поэтому нужны альтернативы, заявил старший автор Ливей Лин, профессор. — В качестве основы мы использовали желатин и дополнили компонентами, которых на планете достаточно. Так и получили недорогой материал для важных каталитических реакций. Результаты опубликованы в издании Advanced Materials.

Как получают водород

Чтобы разделить воду на кислород и водород, достаточно пропустить через нее электрический заряд, способный разорвать связи между атомами молекулы воды. Полученный водород используется в топливных элементах, а также в устройствах для хранения возобновляемой энергии, такой как солнечная и ветряная.

Однако просто взять и воткнуть в стакан с водой электрод — крайне неэффективный способ. На протяжении вот уже 20 лет ученые ищут катализаторы, способные ускорить эту реакцию, чтобы она была практичной и пригодной для масштабирования.

— Пока доминирует использование водяного газа для получения водорода в промышленных масштабах. Однако здесь есть побочный продукт — углекислый газ, сообщил первый автор Цзинь Инь Чжан. — В последнее десятилетие растут объемы производства водорода электрокаталитическим путем. Для электрогидролиза требуются эффективные и доступные катализаторы.

В процессе создания нового катализатора ученые смешали желатин с ионами металлов — молибдена, вольфрама и кобальта — и с водой, а затем дали смеси высохнуть.

— Когда желатин высыхает, он самостоятельно собирается слой за слоем, отметил Лин. — Ионы металла оказываются внутри этих слоев.

Нагрев смеси до 600 градусов по Цельсию запускает реакцию металлических ионов с атомами углерода в желатине, в результате чего образуются большие тонкие листы нанометрового металлического карбида, а излишки желатина сгорают.

Ученые испытали эффективность новых катализаторов, поместив их в воду и пропустив через них электрический ток. Лучше всех сработал слой карбида молибдена, чуть менее эффективным был карбид вольфрама, и хуже всех проявил себя карбид кобальта. Зато если к ионам молибдена в начале реакции добавляли немного кобальта, итоговая эффективность возрастала.

— Мы не исключаем, что другие формы карбида окажется еще более эффективными, признал Лин.

Одна из причин успешности катализатора — его двухмерная форма, поскольку воде для реакции прежде всего требуется большая площадь поверхности, а не объем.

Рецепт получения нового катализатора довольно прост, и ничто не помешает масштабировать его производство.

— Мы сравнили эффективность новинки с платиновым катализатором и практически не заметили разницы, заключил Лин. — Это значит, что дорогую платину наконец-то есть чем заменить.

Справка:

Водород мог бы стать идеальным топливом. Его можно использовать как для производства электричества в топливных элементах, так и сжигать для получения тепла – единственным побочным продуктом будет вода. А самое главное, он не выделяет углекислый газ, который является причиной климатических изменений.

Как и бензин, водород можно использовать для накопления энергии

Обычно водород получают путем расщепления воды при помощи электричества. Хотя запас воды фактически безграничен, необходимость использования платины или других дорогостоящих благородных металлов в устройствах для расщепления воды, является серьезным препятствием на пути к «водородной энергетике» будущего. Благородные металлы способны сопротивляться окислению, и это понятие включает в себя несколько драгоценных металлов, в том числе платину, палладий, иридий и золото.

«Цель состоит в том, чтобы найти дешевую альтернативу платине и другим благородным металлам, для использования в реакции выделения водорода», – говорит Сун Цзинь (Song Jin), профессор Висконсинского университета в Мэдисоне (University of Wisconsin-Madison).

В интернет-версии журнала Nature Materials, исследовательская команда Цзиня сообщает о катализаторе для производства водорода, состоящем из распространенных элементов – фосфора и серы, а также из кобальта, стоимость которого в 1 000 раз меньше стоимости платины.

Катализатор снижает количество энергии, необходимое для начала химической реакции. По сообщению Цзиня, эффективность нового катализатора практически равна эффективности платины, и он, вероятно, обладает самым высоким каталитическим действием среди всех заявленных на сегодняшний день катализаторов на основе неблагородных металлов.

Успеху предшествовал длительный период исследований в лаборатории Цзиня. Команда сосредоточилась на использовании железного пирита – еще называемого «золото дураков» – и других недорогих распространенных материалов для преобразования энергии. Цзинь и его студенты – Мигель Кабан-Асеведо (Miguel Cabán-Acevedo) и Майкл Стоун (Michael Stone), открыли новый высокопроизводительный катализатор, заменив железо кобальтом, чтобы получить кобальт-пирит, и добавив фосфор.

Цзинь пояснил, что обычно, для расщепления воды на водород и кислород, используется электричество, но при этом существует повышенный интерес к использованию для этой цели непосредственно солнечного света.

По его словам, новый катализатор может работать и с солнечной энергией: «Мы продемонстрировали экспериментальное устройство, использующее кобальтовый катализатор и солнечную энергию для производства водорода. Это устройство имеет наивысшую подтвержденную эффективность среди систем, использующих недорогие катализаторы и материалы для получения водорода при помощи солнечного света».

“Многие исследователи стремятся найти дешевую замену платине”, – говорит Цзинь. – “Наш катализатор настолько превзошел аналоги и настолько близок по характеристикам к платине, что мы немедленно обратились в Исследовательский фонд выпускников Висконсинского университета (Wisconsin Alumni Research Foundation) с просьбой зарегистрировать предварительный патент, и уже через две недели они это сделали”.

Цзинь признает, что катализатор был испытан только в лабораторных условиях, и по нему остается много вопросов: «Нужно оценивать стоимость катализатора относительно всей системы. Всегда есть место компромиссу: если вы хотите создать самый лучший электролизер, вам все равно придется использовать платину. Если вы можете позволить себе немного потерять в эффективности, и вас больше заботит стоимость и возможность увеличения масштаба проекта, можно использовать новый кобальтовый катализатор».

«Для оказания влияния на климат, стратегия по замене значительной части минерального топлива на возобновляемую солнечную энергию должна применяться в большом масштабе», – считает Цзинь. – «Если мы хотим серьезно повлиять на проблему глобального потепления, нужно мыслить по-крупному. Мы можем получать водород при помощи электричества или непосредственно при помощи солнечного света, но нам понадобятся целые квадратные километры устройств, выделяющих водород. И в мире может не оказаться достаточного количества платины, чтобы их построить».

Источники: http://www.innovanews.ru/, https://utmagazine.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!