Новый катализатор для производства водорода — это шаг к чистому топливу

Наноструктурированный композиционный материал, разработанный в UC Santa Cruz, показал впечатляющую производительность в качестве катализатора для электрохимического разделения воды при производстве водорода. Эффективный, недорогой катализатор необходим для реализации производства водорода как экологически чистого топлива.

Исследователи, возглавляемые профессором химии и биохимии в Университете Санта-Крус Шаовей Чен, исследовали использование наноструктурированных материалов на основе углерода в качестве катализаторов реакции, которая генерирует водород из воды. В  недавнем исследовании они получили хорошие результаты, включив ионы рутения в листообразную наноструктуру, состоящую из нитрида углерода. Производительность была дополнительно улучшена за счет сочетания нитрида углерода, легированного рутением, с графеном, листовой формой углерода, с образованием слоистого композита.

«Связывающая химия рутения с азотом в этих наноструктурированных материалах играет ключевую роль в высоких каталитических характеристиках», — сказал Чэнь. «Мы также показали, что стабильность катализатора очень хорошая».

Новые результаты были опубликованы в ChemSusChem, ведущем журнале, посвящённом устойчивой химии и энергетическим материалам, а статья представлена ​​на обложке 10 января. Первый автор Йи Пэн, аспирант лаборатории Чэня, провел исследование и разработал обложку.

Водород уже давно привлекателен в качестве чистого и возобновляемого топлива. Например, водородный топливный элемент, питающий электромобиль, испускает только водяной пар. Однако в настоящее время производство водорода все еще сильно зависит от ископаемого топлива (в основном с использованием пара для его извлечения из природного газа).

Обнаружение недорогого, эффективного способа извлечения водорода из воды через электролиз станет крупным прорывом. Электричество из возобновляемых источников, таких как солнечная энергия и энергия ветра, которые могут быть прерывистыми и ненадежными, затем можно легко хранить и распределять в виде водородного топлива.

В настоящее время наиболее эффективные катализаторы для электрохимической реакции, которые генерируют водород из воды, основаны на платине, которая является дефицитной и дорогостоящей. Углеродные материалы показали, что их производительность не приближается к характеристикам катализаторов на основе платины.

В новом композиционном материале, разработанном лабораторией Чена, ионы рутения, внедренные в наноэфиры нитрида углерода, меняют распределение электронов в матрице, создавая более активные узлы для связывания протонов с образованием водорода. Добавление графена к структуре еще больше усиливает перераспределение электронов.

«Графен образует сэндвич-структуру с наносерами из углеродного нитрида и приводит к дальнейшему перераспределению электронов, что дает нам большую эффективность сокращения протонов», — сказал Чэнь.

Электрокаталитические характеристики композита были сопоставимы с электрохимическими характеристиками платиновых катализаторов, сообщают авторы. Однако Чэнь отметил, что исследователям еще предстоит пройти долгий путь для достижения дешевого и эффективного производства водорода.