Новости

16 марта, 2023 18:25

Эффективнее выделять водород и кислород из воды помогут никель-медные покрытия микротрубок

Источник: Поиск
Химики синтезировали новые электрокатализаторы на базе никеля, меди и углеродного волокна. Материал может служить для эффективного получения из воды чистого кислорода в медицинских целях и водорода для энергетики. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.
Процесс электроосаждения композитного покрытия на углеродные микротрубки. Источник: Дмитрий Дмитриев
Переход к возобновляемой водородной энергетике тесно связан с тем, что нужно разрабатывать способы получения «зеленого» водорода из источников с нулевым углеродным следом, то есть без выбросов парниковых газов. Кроме того, многие сферы, особенно промышленная и медицинская, испытывают нехватку чистого кислорода. Он используется для аппаратов искусственной вентиляции легких, получения чистой питьевой воды, производства металлов и стекла и прочего.

И водород, и кислород (еще и без выделения углекислого газа) можно синтезировать с помощью электролиза воды — ее разложения под действием электрического тока. Для этого превращения требуются электрокатализаторы, значительно ускоряющие процесс. В последнее время в качестве их основы используются металлы подгруппы железа (железо, никель, кобальт) или их композиты с благородными металлами, серебром или медью. Распространен композит никель-медь — и все благодаря низкой стоимости металлов, простоте синтеза и хорошо известным свойствам. Проблема в том, что использование подобных материалов в их нынешнем виде не настолько эффективно, как того хотелось бы. Это происходит из-за слишком большого размера получаемых частиц металлов. Решением может стать поиск нового подхода к синтезу таких катализаторов.

Дмитрий Дмитриев и Артем Лобинский в лаборатории. Источник: Максим Теневич

Ученые Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук (Санкт-Петербург) разработали новые электрокатализаторы: углеродные микротрубки покрыли композитами на основе никеля (Ni) и меди (Cu). Покрытия были синтезированы методом электроосаждения из комплексных аммоний-сульфосалициловых электролитов, то есть содержащих органические лиганды, которые сложнее по структуре, чем обычно применяемые в подобных задачах. Электроосаждение — это выделение металла на поверхности электрода в результате протекания электрохимической реакции.

Авторам удалось создать очень тонкие покрытия с наночастицами металлов: толщина трубок составила примерно 1,2 нм в случае системы Ni-углерод и около 0,5 нм в случае Ni-Cu-углерод. Образцы исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии, рентгеновских и электрохимических методов. Так, благодаря переходу от использования простого метода синтеза к сложному, получилось увеличить площадь электрохимически активной поверхности материалов: с 265 до 1400 см2 для никелевого и до 780 см2 для никель-медного катализаторов соответственно. Это позволит выделять водород более эффективно, а использование углеродного волокна в качестве подложки сделает производство материала более дешевым, экологически чистым и с меньшим расходом металлов.                                              
«Мы добились улучшения электрокаталитических свойств как за счет уменьшения размера кристаллитов, так и за счет присутствия добавки меди. Она улучшает электропроводность и снижает общую энергию связи металл-водород, что ослабляет диффузионные ограничения реакции. Синтезированный материал может служить для эффективного синтеза водорода и кислорода в различных областях: от изготовления “зеленого” топлива или выделения чистых металлов из руды до получения чистого кислорода в медицинских и технологических сферах», — отмечает автор исследования и исполнитель проекта, поддержанного РНФ, Дмитрий Дмитриев, кандидат химических наук, научный сотрудник Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН.
Дальнейшие планы авторов — оптимизировать синтез по основным параметрам, а именно составу электролита и скорости электроосаждения. Ученые надеются перейти от эффективной, но все же не очень экологичной сульфосалициловой кислоты в качестве лиганда к более безопасным лимонной и винной. Также планируется синтезировать другие полиметаллические системы: кобальт-медь, кобальт-серебро, медь-молибден и прочие.


Изображение микротрубки, полученное методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Источник: Dmitriev et al. / Int. J. Hydrog. Energy, 2023

«Наши исследования лежат в области экологичных и ресурсоемких синтезов, снижающих загрязнения на этапе производства материала. Это увеличивает эффективность и пользу от получаемых водорода и кислорода. Данное исследование является одним из цикла публикаций, посвященных использованию углеродных материалов в качестве подложек для синтеза полиметаллических электрокатализаторов различных химических процессов», — подводит итог Дмитрий Дмитриев.
 Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ
13 сентября, 2024
Химики СПбГУ создали гибридные светящиеся полимеры для датчиков и экранов гаджетов
Ученые Санкт-Петербургского университета синтезировали гибридные соединения из лантаноид...
12 сентября, 2024
Соленость Атлантического океана за 70 лет ощутимо изменилась
За последние 70 лет соленость некоторых областей северной части Атлантического океана отчетливо из...