Новый, более эффективный катализатор для гидролиза воды

Физики обнаружили катализатор, который может разделять воду на кислород и водород и состоящий из легко доступных недорогих материалов. Он намного более эффективен чем использовавшиеся ранее катализаторы из благородных металлов. Это открытие должно решить основную проблему, препятствующую промышленному использованию гидролиза воды для получения водорода, наиболее многообещающего источника чистой энергии.

Не смотря на теоретическую простоту, процесс разделения воды на водород и кислород является достаточно сложным и требует двух независимых реакций - реакции выделения водорода и реакции выделения кислорода, которые происходят на разных электродах.
Физики из Университета Хьюстона обнаружили катализатор, упрощающий процесс гидролиза воды на водород и кислород, состоящий из легко доступных недорогих материалов и работающий намного более эффективно, чем использовавшиеся ранее катализаторы.
Это могло бы решить одну из основных трудностей, остающихся на пути использования воды для производства водорода, одного из наиболее многообещающих источников чистой энергии.
"Водород является самым чистым источником энергии, который доступен на земле" - говорит Пол С.В. Чу, основатель, директор и старший научный сотрудник Техасского Центра Сверхпроводимости в Университете Хьюстона. "Вода могла бы быть неисчерпаемым источником водорода если бы можно было разорвать сильную связь водорода и кислорода."
Чу и коллеги, включая физика Жифенга Рена и Шуо Чена, которые так же являются основными исследователями Техасского Центра Сверхпроводимости Университета Хьюстона, сообщают в Трудах Академии Естественных Наук США о своем открытии эффективного катализатора, изготовленного без использования редких дорогих металлов.
Другие исследователи, участвовавшие в проекте: аспиранты Хайкинг Жу и Фанг Ю и выпускники Жангинг Сун и Ран Хе.
Катализатор, состоящий из метафосфата железа на базе проводящей никелиевой пены, намного более эффективен чем использовавшиеся ранее катализаторы, а так же намного дешевле в изготовлении.
"По затратам он намного дешевле, а по эффективности - намного лучше" - говорит Жифенг Рен, профессор физики и ведущий автор статьи. Катализатор так же является долговечным и работает более 20 часов в 10 000 циклах тестирования.
"Некоторые катализаторы являются уникальными, но они стабильны в течении одного-двух часов" - говорит Рен, "это не имеет практической пользы".
Не смотря на теоретическую простоту, процесс разделения воды на водород и кислород является достаточно сложным и требует двух независимых реакций - реакции выделения водорода и реакции выделения кислорода, которые происходят на разных электродах. Хотя водород является наиболее ценным продуктом гидролиза, его невозможно извлечь без сопутствующего кислорода. При том, что существуют эффективные катализаторы для водорода, по словам Рена, недорогие катализаторы для кислорода отсутствуют и это является существенным препятствием для промышленной реализации процесса гидролиза.
Водород имеет ряд преимуществ. "Водород (H2) выделенный из воды при помощи электрохимического процесса, называемого гидролизом, считается чистым и стабильным источником энергии, который может заменить ископаемое топливо и удовлетворить растущие потребности в энергии, поскольку вода является основным материалом для производства и одновременно результатом реакции, в которой высвобождается энергия" - пишут исследователи.
В отличии от солнечной энергии, энергии ветра и других возобновляемых видах энергии, водород легко хранить.
Сегодня в основном водород производится из паров метана или путем газификации угля. Эти методы приводят к выбросу углекислого газа в атмосферу, не смотря на то, что сам водород сгорает экологически чисто.
Чен говори, что реакция выделения кислорода часто основывается на благородных металлах - иридий, платину или рутении, но они очень дороги и редки.
"В результате этой работы мы получили высокоактивный и стабильный электрокатализатор, основанный на распространненных элементах, которые работают даже лучше чем благородные металлы" - говорит она. "Наше открытие может дать более экономичный способ производства водорода путем гидролиза".
Разделение воды может инициироваться либо электрическим током, либо фотокаталитическим методом, с использованием энергии солнца. Однако фотокаталитический метод очень неэффективен, поскольку вода поглощает лишь небольшой процент проходящего через нее света. В идеале, необходимо преобразовывать солнечную энергию в электрическую и получать водород гидролизом, говорит Рен.

По материалам: ScienceDaily.com и Университета Хьюстона.
Ссылка на статью:
Haiqing Zhou, Fang Yu, Jingying Sun, Ran He, Shuo Chen, Ching-Wu Chu, Zhifeng Ren. Highly active catalyst derived from a 3D foam of Fe(PO 3 ) 2 /Ni 2 P for extremely efficient water oxidation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017; 201701562 DOI: 10.1073/pnas.1701562114

0 comments