Физики Университета Хьюстона обнаружили катализатор, который может расщепить воду на водород и кислород. Он состоит из легкодоступных, недорогих материалов и работает гораздо более эффективно, чем предыдущие катализаторы.
Это решило бы одно из основных сложностей, препятствующих использованию воды для производства водорода, — одного из самых перспективных источников экологически чистой энергии.
«Водород является самым чистым источником первичной энергии из тех, которые у нас есть на Земле», - сказал Пол Ч.В.Чу, главный научный сотрудник некоммерческой организации TLL в области исследования клетки в Сингапуре, а также директор-основатель и ведущий ученый Техасского центра сверхпроводимости Хьюстонского университета.
«Вода могла бы стать самым распространенным источником водорода, если бы при помощи катализатора можно было разорвать прочную связь водорода с кислородом в воде».
Чу и его коллеги, в том числе физики Жифенг Рен и Шуо Чен, которые также являются главными исследователями Техасского центра сверхпроводимости в Хьюстонском университете, сообщают об их открытии — эффективном катализаторе, произведенном без использования наиболее часто используемых дорогих драгоценных металлов (по материалам научного журнала Proceedings of the Natural Academy of Sciences).
В число других исследователей, участвующих в проекте, входят доктора наук Хайкинг Чжоу и Фанг Ю, и магистранты Джинжинг Сан и Рэн Хи.
Более дешёвый катализатор, состоящий из метафосфата железа, выращенного на электропроводящей пенном "соединении-платформе" из никеля, намного эффективнее, чем предыдущие катализаторы.
«Он намного выгоднее с точки зрения затрат и более производительный», — сказал профессор по физике Центра М.Д. Андерсона в Техасском университете и ведущий автор исследования Жифенг Рен.
Катализатор показал свою долговечность во время испытаний, проработав более 20 часов или 10000 циклов.
По словам Рен, есть очень сильные катализаторы, но они находятся в устойчивом состоянии всего один или два часа, и поэтому не используется.
Хотя теоретически это просто, но расщепление воды на водород и кислород — сложный процесс, требующий двух отдельных реакций: реакции выделения водорода и реакции выделения кислорода, для каждой из которых требуется отдельный электрод.
Несмотря на то, что водород является более ценным компонентом, он не может быть получен без получения кислорода.
И хотя нам доступны хорошие водородные катализаторы, — поясняет Рен, — отсутствие недорогого и эффективного кислородного катализатора не даёт нам продвинуться дальше в этой области.
Водород имеет ряд преимуществ.
«Водород, полученный в результате расщепления воды электрохимическим процессом, называемый электролизом, считается экологически чистым и неисчерпаемым источником энергии для замещения ископаемых видов топлива и удовлетворения растущего глобального спроса на электроэнергию, поскольку вода является как единственным исходным материалом, так и побочным продуктом водородных агрегатов», — пишут исследователи.
И в отличие от солнечной энергии, энергии ветра и другой «чистой» энергии, водород легко накапливать.
В настоящее время большая часть водорода получается за счет парового риформинга метана и газификации угля. Эти методы увеличивают углеродный след топлива, несмотря на то, что оно полностью сгорает.
Чен сказала, что реакции выделения кислорода часто проводятся под действием электрокатализатора из «благородного металла» — иридия, платины или рутения,
но они дорогостоящие и редкие.
Чен добавляет: «В этой работе мы обнаружили высокоактивный и устойчивый электрокатализатор, основанный на распространенных химических элементах в земной коре. По производительности он лучше, чем катализатор из благородных металлов.
Наше открытие может привести к более экономически-эффективному подходу в производстве водорода путём электролиза воды.»
Расщепление воды может быть проведено либо под действием электрического тока, либо посредством фотокатализа с использованием солнечной энергии.
Расщепление воды одной солнечной энергией слишком неэффективное, так как вода может поглощать только небольшую часть спектра света.
В идеале, по словам Рен, лучше, чтобы солнечная энергия была бы использована для выработки электроэнергии для последующего расщепления воды.
