Водородная энергетика может стать хорошей альтернативой ископаемым нефти и газу, поскольку водород — экологически чистое топливо, которое можно добывать из обычной воды. При сжигании водород образует воду, а не углекислый газ, поэтому водородное топливо считается возобновляемым и экологичным, и переход на водородную энергетику позволит снизить выбросы парниковых газов.
Водород можно получать электрохимически на катоде электролизера. Протоны для синтеза водорода для реакции будут получаться на аноде электролизера при окислении воды. При этом для снижения перенапряжения могут быть использованы различные катализаторы. Их размещают на разных электродах электрохимической ячейки — устройства, в котором энергия электрического тока используется для создания новых химических связей или разрушения существующих. При протекании тока через электрохимическую ячейку на одном электроде происходит расщепление воды, а на другом — синтез водорода. Катализаторами могут выступать такие металлы как кобальт, платина, иридий, никель, однако они довольно дороги, и добыча водорода с их помощью увеличивает цену топлива. Ученые ищут альтернативные соединения из более дешевых металлов, например, меди и хрома, чтобы достигнуть такой же производительности в добыче водорода, как у соединений с платиной.
Ученые из Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН (Москва) с коллегами синтезировали катализатор из сплава на основе меди и хрома с добавлением серы. Авторы пропитали раствором хлорида хроматак называемую медную пену — структуру из меди с большой шероховатостью поверхности, — а затем обжигали ее сначала в течение 12 часов при 180°C, затем 3–4 часа при 500°C в бескислородных условиях. Большая площадь поверхности катализатора (за счет шероховатости) позволяет адсорбировать большое количество молекул воды и протонов, что увеличивает его эффективность.
Микрофотографии полученных катализаторов. Источник: Сулейман Аллахвердиев
Получившуюся пластину ученые погрузили в раствор сульфида натрия (источника серы) и инкубировали при температуре 90°C в течение нескольких часов, чтобы присоединить к катализатору серу. Сера повышает проводимость металлов и энергию адсорбции — меру прочности связи, образующейся между протоном (ионом водорода) и катализатором.
Авторы проверили эффективность нового катализатора в электрохимической ячейке. Серосодержащий катализатор работал при перенапряжении в 1,5 раза меньшем, чем катализатор без серы. Наилучшие показатели были достигнуты для образцов, которые подвергались термообработке при 90°C в присутствии сульфида натрия в течение 12 часов.
«Благодаря сочетанию высокой каталитической активности, стабильности и низкой себестоимости разработанный катализатор с серой представляет значительный интерес для промышленного применения. Его использование в производстве "зеленого" водорода способно сделать водородную энергетику более доступной, существенно снизив стоимость экологически чистого топлива», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сулейман Аллахвердиев, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, заслуженный деятель науки РФ, заведующий лабораторией управляемого фотобиосинтеза Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН.
В исследовании принимали участие сотрудники Университета имени короля Халида (Саудовская Аравия), Университета нефти и полезных ископаемых короля Фахда (Саудовская Аравия) и Уханьского технологического университета (Китай).
