Разделяя море или страсти по водороду.

Источник. 

Человечество всё ещё далеко от воплощения в жизнь планов по сокращению выбросов углеводородов и других отравляющих экологию планеты веществ, однако – хвала науке – исследователи из разных областей не опускают рук в поисках выхода из уже назревшего климатического кризиса. Одним из потенциальных инструментов по осуществлению задуманного мог бы стать водород. Подумать только: он сгорает, вообще не производя вредных выбросов! Закопайте нефть назад, давайте жечь водород, чего мы ждём?!

Да, этот газ весьма перспективный источник действительно чистой энергии, однако его обычное производство оставляет значительный углеродный след, а более чистые методы сложны и довольно дороги. А с другой стороны – на планете полным-полно водорода: только добывай! Вопрос лишь в том, как это лучше сделать.

И вот исследователи из Университета Хьюстона (UH), Китайского университета Гонконга и Центрально-китайского педагогического университета, кажется, нашли способ, которого нам всем недоставало. Авторы сообщают о значительном прогрессе в деле эффективного производства водорода и кислорода как из морской, так и из пресной воды. 

Успех кроется в двухэлектродном катализаторе, который основан на специфическом соединении.

Вообще говоря, это не первые попытки использования таких бифункциональных катализаторов для расщепления воды, но все они обычно приводили к плохой работе одной из двух функций. С другой стороны, применение двух отдельных катализаторов работает неплохо, но резко увеличивает стоимость производства катализаторов.

Примерный рецепт разработки исследователи описали в работе, опубликованной в Energy & Environmental Science. Они использовали соединение никеля, молибдена и азота, модифицированное небольшим количеством железа и выращенное на пеноникелевой основе. Именно такая конструкция позволяет эффективно производить водород, а затем – в процессе электрохимической реконструкции, вызванной циклическим напряжением, – превращаться в соединение, которое вызывает столь же мощную реакцию выделения кислорода.

Исследователи отмечают, что использование одного соединения как для реакции выделения водорода (HER), так и для реакции выделения кислорода (OER) – пусть и несколько изменённого в процессе реконструкции, – не только делает расщепление воды более доступным, но и упрощает инженерные задачи.

Практика показала, что большинство материалов лучше всего подходят либо для одной реакции, либо для другой. Но для завершения процесса и получения водорода из воды необходимы обе реакции. Жифэн Рен, директор Техасского центра сверхпроводимости в UH, соответствующий автор статьи и заведующий кафедрой физики MD Anderson в UH говорит, что новый катализатор не только позволяет эффективно работать с одним катализатором, но также одинаково хорошо работает в морской и пресной воде: «По сравнению с существующими катализаторами, это на уровне лучших из когда-либо известных».

В морской щелочной воде, при работе в условиях, приближённых к промышленным, находка обеспечила плотность тока 1000 мА/см² при напряжении морской воды всего 1.56 В, оставаясь стабильным на протяжении 80-тичасовых испытаний.

Столь высокая производительность может решить ещё одну проблему: большинство доступных прежде катализаторов лучше всего работают в пресной воде, а в морской их КПД резко снижается. В то же время категорическая важность пресной воды в продовольственном плане снижает привлекательность такого способа добычи энергии, вследствие чего укрощение морской стихии приобретает особый ореол.

Сложность разделения морской воды вызвана, отчасти, коррозией, связанной с солью и другими минералами, а также вредными продуктами реакции. Новый же катализатор генерирует чистый кислород, избегая потенциального побочного продукта агрессивного газообразного хлора, производимого некоторыми его предшественниками.

«Обычно, даже если катализатор работает с солёной водой, он требует более высокого энергопотребления, – говорит Рен. – В этом случае потребность в почти таком же потреблении энергии, как у пресной воды, является очень хорошей новостью».

Шуо Чен, адъюнкт-профессор физики в UH, соавтор статьи и главный исследователь в Техасском Центре Сверхпроводимости (TcSUH), поясняет это соображение об экономичности: отношение сообщаемой катализатором высокой плотности тока к низкому напряжению значительно снижает затраты энергии на производство водорода. Но и это лишь один из показателей экономической доступности катализатора.

Используя один материал для выделения водорода, а затем применяя циклическое напряжение для запуска электрохимической реконструкции, которая несколько изменяет исходный же материал, уже для добычи кислорода, исследователи устраняют необходимость во втором катализаторе, а также упрощают технические требования.

«Если вы делаете устройство из двух разных материалов на двух электродах, вам нужно выяснить, как электрический заряд может проходить через каждый электрод, и спроектировать структуру, соответствующую этому, – говорит Шуо Чен. – В этом случае материал не совсем тот же, потому что один [электрод] подвергается электрохимической реконструкции, но это всё равно очень похожий материал, поэтому проектирование проще».

АРМК, по материалам Университета Хьюстона.