Зелёный водород за недорого: учёные нашли альтернативу катализаторам из рутения
- Учёные создали катализаторы из оксидов никеля и железа на углеродных нановолокнах, закреплённых на MXene.
- При выделении кислорода никелевому композиту нужно на 50 мВ больше, чем эталонному оксиду рутения; при выделении водорода — на 490 мВ больше.
- В прототипе электролизёра при плотности тока 10 мА/см² железный композит обеспечил напряжение 2,2 В, никелевый — 2,7 В.
Почему это важно: Это важно, поскольку дорогие катализаторы из драгоценных и редких металлов делают зелёный водород очень дорогим.
«Зелёный» водород, получаемый электролизом воды с помощью солнечных и ветровых электростанций, обходится очень дорого из-за высокой стоимости катализаторов на основе платины, рутения, иридия и других драгоценных и редких металлов. Но наука не стоит на месте, и учёные нашли способ получать водород с помощью катализаторов на основе железа и никеля.
Источник изображения: ИИ-генерация ChatGPT/3DNews
В новой работе, опубликованной в журнале ACS Applied Nano Materials, исследователи представили перспективные катализаторы на основе оксидов никеля и железа, закреплённых на углеродных нановолокнах, выращенных на двумерном проводящем материале MXene (максине). В испытаниях по щелочному электролизу воды никелевый композит, созданный таким образом, показал превышение напряжения всего на 50 мВ по сравнению с эталонным катализатором на основе оксида рутения при выделении кислорода. Во время электролиза выделяются как водород, так и кислород, и обе реакции важны для получения водорода.
Основой новых материалов служит MXene состава Ti3C2Tx — двумерный материал с высокой электропроводностью. На его поверхности методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) учёные вырастили углеродные нановолокна, на концах которых сформировались частицы оксидов металлов. Микроскопия и спектроскопия подтвердили образование волокон и сохранение слоистой структуры MXene. Никелевый материал оказался более качественным: он отличался более упорядоченной, подобной графиту структурой углерода и меньшим количеством дефектов по сравнению с железным композитом.
При оценке реакции выделения водорода никелевый композит потребовал повышения напряжения сверх эталонного (для рутения) на 490 мВ для достижения плотности тока 10 мА/см2, тогда как железный — 520 мВ. В реакции выделения кислорода результаты составили соответственно 300 и 360 мВ. Для сравнения, эталонный оксид рутения RuO2 требовал 250 мВ в реакции выделения кислорода. Таким образом, преимущество никелевого материала особенно заметно при выделении кислорода: разница с эталоном составила всего 50 мВ, тогда как разница в стоимости катализаторов будет несоизмеримо больше. Закрепление нановолокон на MXene очевидным образом улучшило показатели обоих композитов по сравнению с аналогичными материалами без такой подложки.
Исследователи также собрали прототипы электролизёров, используя один и тот же тип катализатора на обоих электродах. При плотности тока 10 мА/см2 железный композит обеспечил напряжение ячейки 2,2 В, а никелевый — 2,7 В. Таким образом, железо показало лучший результат в полностью собранной конструкции, хотя на уровне композитов никель продемонстрировал более высокие показатели. Предполагается, что железо стабилизирует среду в процессе реакций.
Суточные испытания показали незначительное снижение активности и дрейф характеристик катализаторов. При этом свойства никелевого катализатора изменились меньше, чем железного. Таким образом, работа ещё не окончена, хотя её результаты обнадёживают. Получение зелёного водорода без сжигания ископаемого топлива позволяет избежать выбросов углекислого газа. Обидно производить экологически чистое топливо — водород — и одновременно ухудшать состояние экосистемы планеты.
© 3DNews
