Из грязи в князи или водород на отходах.

Перспективный способ получения водорода из воды заключается в превращении отработанной металлической стружки в высокоэффективный катализатор этого процесса. Источник.

Группа учёных из Химической школы и инженерного факультета Ноттингемского университета совершила открытие, которое может сделать более стабильным процесс выделения водорода из воды. Исследователи обнаружили, что текстура поверхности обычной металлической стружки ‒ отходов металлообработки ‒ на наноуровне имеет крошечные ступени и канавки. Увидев возможность закреплять атомы платины или кобальта в этих текстурах, команда решила создать на их основе электрокатализатор, который был бы способен расщеплять воду на водород и кислород. Забегая вперёд, он получился довольно эффективным. Исследование опубликовано в Journal of Material Chemistry A.

Итак, водород ‒ это чистое топливо, которое можно использовать для выработки тепла или энергии транспортных средств, а единственным побочным продуктом его сгорания является водяной пар. Однако сегодня большинство методов производства водорода основаны на ископаемом топливе. Что касается электролиза воды, то, хоть и косвенно, но его это тоже касается, поскольку для него требуются не только вода, а также и электричество, которое, как мы знаем, вырабатывается разными способами. Тем не менее электролиз стал одним из наиболее перспективных и экологически чистых способов производства.

Но и тут не всё так просто, поскольку для реализации этого процесса в промышленных масштабах требуются редкие и дорогие элементы вроде платины, которые выступают ускорителями реакции ‒ катализаторами. В связи с этим мир сталкивается с проблемой: в условиях ограниченности ресурсов и растущих цен на драгметаллы возникает острая потребность в альтернативных решениях как по части иных методов получения водорода, так и в новых электрокатализаторах для самого электролиза.

Идея с металлической стружкой, к которой прибегли учёные, в том как раз, что она, будучи использованной в качестве носителей атомов драгметаллов, помогает более экономно их расходовать. Мало того, она в избытке встречается повсеместно в металлообрабатывающей промышленности и является её побочным продуктом.

«Только в Великобритании промышленные предприятия ежегодно производят миллионы тонн металлических отходов, ‒ рассказывает возглавивший исследовательскую группу доктор Хесум Алвес Фернандес, химик из университета Ноттингема. ‒ Используя сканирующий электронный микроскоп, мы смогли осмотреть кажущиеся гладкими поверхности стружки из нержавеющей стали, титана или никелевого сплава. К нашему удивлению, мы обнаружили, что на поверхностях имеются канавки и выступы шириной всего в десятки нанометров. Мы поняли, что эта нанотекстурированная поверхность может предоставить уникальную возможность для изготовления электрокатализаторов».

Исследователи использовали магнетронное распыление для создания подобия дождя из атомов платины, осаждающихся на поверхности стружки. Затем из этих атомов формируются нано частицы, которые плотно прилегают к соизмеримым канавкам.

«Замечательно, что мы можем производить водород из воды, используя лишь десятую часть количества загружаемой платины по сравнению с современными коммерческими катализаторами, ‒ воодушевлён достижением доктор Мадасами Тангамуту, аспирант Ноттингемского университета, который отвечал за анализ структуры и электрокаталитической активности новых материалов. ‒ Распределив всего 28 микрограммов драгоценного металла на 1 см² стружки, мы смогли создать электролизер лабораторного масштаба, который работает со 100% эффективностью и производит 0,5 литра газообразного водорода в минуту всего из одного куска стружки».

Для начала команда занялась использованными сплавами из нержавеющей стали (SST), титана (Ti) и никеля (Ni). В ходе работы было обнаружено, что они имеют нанотекстурированные поверхности, состоящие из канавок шириной от 10 до 50 нм, которые представляют собой отличную платформу для эффективного соединения атомов платины (Pt) или кобальта (Co).

Схематическое изображение заготовки стружки с указанием её нано‒ и микротекстурированной поверхности. Внизу слева фотография объёмных отходов титановой стружки после механической обработки; справа изображения сканирующей электронной микроскопии и фотография одиночной стружки. Источник.

Тесты продемонстрировали сильную синергетическую взаимосвязь между металлом поверхности стружки и каталитически активными центрами (так назвали наноскопления атомов, за счёт которых и ускоряется реакция), так что только некоторые комбинации приводят к созданию эффективных электрокатализаторов. Более того, оказалось, что поверхностная плотность атомарно нанесённых платины или кобальта оказывает глубокое влияние на строение этих активных центров. Получаемая морфология, как это называют авторы, обеспечивает катализатор естественным механизмом оптимизации искомых характеристик.

К этому, собственно, и сводится синергия: связь элементов даёт больше, чем сумма их действий по-отдельности друг от друга. Например, оптимальная загрузка платины на титановую стружку позволяет получать наночастицы Pt размером 5-20 нм в канавках с исключительной активностью реакции выделения водорода (HER). Аналогичным образом, оптимальная поверхностная плотность кобальта (30 мкг/см²) на никелевой стружке приводит к образованию связанных хлопьев Co(OH)₂ длиной около 100 нм, обладающих выдающимися характеристиками реакции выделения кислорода (OER).

Объединение же этих лучших электродов в полноэлементном электролизере привело к повышению плотности тока относительно так называемого электрона сравнения (или RHE ‒ обратимого водородного электрода со стабильным и хорошо известным электронным потенциалом) до 40 мА/см² при напряжении 1,6 В. Также, вследствие 100% фарадеевской эффективностью переноса зарядов в системе, выросли и скорости образования H₂ и O₂ в соотношении 2:1. И всё это ‒ без снижения активности в течение 24 часов.

Производство водорода из воды катализируется атомами платины на металлической стружке. (а) Принципиальная схема, иллюстрирующая полноэлементный щелочно-водяной электролизер со стружечными электродами Pt28–Ti и Co30-Ni, работающими в качестве электрокатализаторов для реакций выделения водорода (HER) и кислорода (OER) соответственно. (б) Выделение кислорода и водорода из элемента с течением времени. Источник.

Это исследование действительно способно привести нас к более экологичному изготовлению электродов и эффективному получению водорода при электролизе щелочной воды. В рамках сотрудничества с коммерческим проектировщиком и производителем электролизеров ‒ компанией AqSorption Ltd из Ноттингема, ‒ команда попробовала расширить масштабы её технологического процесса. Андрей Хлобыстов, профессор Химического факультета Ноттингемского университета, усматривает в этом опыте большой задел на будущее: «Электрокатализаторы, изготовленные из стружки, потенциально могут оказать значительное влияние на экономику».

«Наша уникальная технология, разработанная в Ноттингеме, которая включает атом за атомом выращивание частиц платины на нанотекстурированных поверхностях, решила две основные проблемы, ‒ поясняет он. ‒ Во-первых, это позволяет производить экологически чистый водород с использованием минимально возможного количества драгоценного металла, а во-вторых, перерабатывает металлические отходы аэрокосмической промышленности за один процесс».

Кластер с нулевым выбросом углерода был создан в Ист-Мидлендс для ускорения разработки и внедрения инноваций в экологически чистых отраслях и передовом производстве.

В заключение пресс-релиза, опубликованного на сайте университета Ноттингема, команда приводит цитату его директора по исследованиям и обмену знаниями, профессора Тома Роддена: «Разработка водородных двигательных установок может стать важным шагом на пути решения некоторых из наиболее насущных мировых проблем с нулевым выбросом углерода, особенно для транспорта и обрабатывающей промышленности. Однако успех этой стратегии зависит от устойчивого производства экологически чистого водорода, например, путём расщепления воды с помощью электролиза, а это, в свою очередь, требует совершенствования конструкции материалов».

АРМК, по материалам университета Ноттингема.