Вода – самое распространенное вещество на Земле. И, возможно, именно вода приведет к экологически чистому будущему – ведь давно известно, что водород, который выделяется при ее разложении с помощью электрического тока, может стать идеальным топливом: он не оставляет углеродного следа и производит опять же только воду в процессе сгорания.
До сих пор основным препятствием к массовому внедрению этой технологии была высокая стоимость катализаторов, необходимых для эффективного расщепления молекул воды. Но исследователи из России, в том числе Красноярского края, и Германии предложили решение, которое может все изменить.
Нанопластины нового материала: в его составе молибден, сера и селен. Фотография сделана с помощью сканирующего электронного микроскопа
Изысканиями занимались исследователи Института физики Красноярского научного центра СО РАН, СФУ, ТюмГУ, МГУ совместно с немецкими коллегами, а результаты представлены в одном из специализированных научных журналов.
Сегодня наиболее эффективными материалами для производства водорода считаются благородные металлы, такие как платина. Эти материалы обладают исключительной каталитической активностью, но их использование ограничено двумя серьезными проблемами: высокой стоимостью и ограниченными запасами. Поэтому ученые всего мира ищут более доступные альтернативы, которые могли бы работать так же эффективно, но стоить дешевле.
Именно эту задачу решила команда российских и немецких исследователей, предложив новые катализаторы на основе молибдена, вольфрама, серы и селена.
Атомные «бутерброды»
Новый метод синтеза катализаторов таков: исследователи создали слоистые материалы, состоящие из чередующихся слоев атомов молибдена или вольфрама и смеси серы с селеном. Структура этих материалов напоминает бутерброд: слой серы и селена, затем слой молибдена или вольфрама и снова слой серы и селена. Эти «бутерброды» накладываются друг на друга, образуя многослойную структуру.
Для создания таких материалов используется метод прямого синтеза в ампулах. Молибден или вольфрам смешиваются с серой и селеном, помещаются в кварцевые ампулы и подвергаются нагреву по специальному протоколу. В результате внутри слоев образуется хаотичное распределение атомов серы и селена, что придает материалу уникальные свойства.
«Преимущество этого метода заключается в его простой реализации и возможности масштабирования для промышленного производства», – отмечает руководитель работ, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского Александр Орешонков.
Чтобы сделать материалы еще более эффективными, исследователи создали их наноразмерные версии.
Для этого синтезированные вещества помещали в растворитель и обрабатывали ультразвуком в течение 1–10 часов. В результате получились пластины толщиной всего в одну кристаллическую ячейку – это примерно десятые доли или единицы нанометров.
Такие тонкие материалы обладают уникальными свойствами. Электроны в них ведут себя совершенно иначе, чем в объемных материалах. Благодаря этому они становятся идеальными катализаторами. Кроме того, уменьшение размера увеличивает удельную площадь поверхности материала, что открывает больше активных центров для химических реакций.
На снимке четко видна слоистая структура нанопластин
Это снижает количество энергии, необходимой для разложения воды, и делает процесс более эффективным.
Исследователи провели серию электрохимических экспериментов, чтобы оценить эффективность новых материалов. В качестве эталона использовалась платина – «золотой стандарт» среди катализаторов.
«Исследованные материалы проявили высокую каталитическую активность и стабильные характеристики в реакции выделения водорода», – отметил специалист по электрохимическому расщеплению воды Станислав Евлашин, доктор химических наук, старший научный сотрудник Центра технологий материалов Сколковского института науки и технологий.
Ученые пришли к выводу, что новые катализаторы могут стать важным шагом к созданию более эффективных технологий для промышленного производства водорода.
Новые материалы открывают широкие перспективы для развития экологически чистых технологий.
Они могут быть использованы не только для производства водорода, но и в других областях, где требуются эффективные катализаторы. Например, в производстве топливных элементов или очистке воды. Кроме того, благодаря своей простоте и возможности масштабирования этот метод может стать основой для создания недорогих и доступных катализаторов, которые смогут конкурировать с платиной. Это особенно важно в условиях глобального перехода к возобновляемым источникам энергии.
Сегодня водородная энергетика рассматривается как один из способов снижения выбросов парниковых газов.
Однако ее успех зависит от того, насколько эффективно и экономически выгодно люди смогут производить водород. Новые катализаторы, созданные российскими и немецкими учеными, приближают человечество к этой цели. Возможно, уже в ближайшем будущем автомобили на водородном топливе станут обыденностью, а электростанции начнут использовать водород как основной источник энергии.
Фото: ФИЦ КНЦ СО РАН