Дешевый и эффективный новый катализатор, разработанный исследователями из Калифорнийского университета в Беркли, может генерировать водородное топливо из воды так же эффективно, как и платина, которая в настоящее время является лучшим, но и самым дорогим катализатором для расщепления воды.
Катализатор, состоящий из листов карбида металла нанометровой толщины, изготавливается с использованием процесса самосборки, основанного на неожиданном ингредиенте: желатине, материале, который придает желе Jell-O его дрожание.
«Платина стоит дорого, поэтому было бы желательно найти другие альтернативные материалы для ее замены», - сказал старший автор Ливэй Лин, профессор машиностроения Калифорнийского университета в Беркли. «На самом деле мы используем что-то похожее на желе, которое вы можете есть, в качестве основы, и смешиваем его с некоторыми из распространенных элементов земли, чтобы создать недорогой новый материал для важных каталитических реакций».
Это исследование было размещено в Интернете в октябре 2018 года в журнале Advanced Materials перед окончательной публикацией в печати 13 декабря.
Удар электричества может разрушить прочные связи, которые связывают молекулы воды вместе, создавая газообразный кислород и водород, последний из которых является чрезвычайно ценным источником энергии для питания водородных топливных элементов. Газообразный водород также можно использовать для хранения энергии из возобновляемых, но непостоянных источников энергии, таких как солнечная энергия и энергия ветра, которые производят избыточное электричество, когда светит солнце или когда дует ветер, но которые бездействуют в дождливые или безветренные дни.
Но просто воткнуть электрод в стакан с водой - крайне неэффективный метод получения газообразного водорода. В течение последних 20 лет ученые искали катализаторы, которые могли бы ускорить эту реакцию, делая ее пригодной для крупномасштабного использования.
«Традиционный способ использования водяного газа для производства водорода по-прежнему доминирует в промышленности. Однако этот метод производит углекислый газ в качестве побочного продукта», - сказал первый автор Синин Занг, который проводил исследование в качестве аспиранта в области машиностроения в Калифорнийский университет в Беркли. «Электрокаталитическое производство водорода растет в последнее десятилетие вслед за глобальным спросом на снижение выбросов. Разработка высокоэффективного и недорогого катализатора для электрогидролиза принесет значительные технические, экономические и социальные преимущества».
Чтобы создать катализатор, исследователи следовали рецепту, почти столь же простому, как приготовление желе из коробки. Они смешали желатин и ион металла - молибдена, вольфрама или кобальта - с водой, а затем дали смеси высохнуть.
«Мы считаем, что по мере высыхания желатин самособирается слой за слоем», - сказал Лин. «Ион металла переносится желатином, поэтому, когда желатин самособирается, ваш ион металла также располагается в этих плоских слоях, и именно эти плоские листы придают Jell-O его характерную зеркальную поверхность».
Нагревание смеси до 600 градусов по Цельсию приводит к тому, что ион металла вступает в реакцию с атомами углерода в желатине, образуя большие листы карбида металла толщиной в нанометры. Непрореагировавший желатин сгорает.
Исследователи проверили эффективность катализаторов, поместив их в воду и пропустив через них электрический ток. При укладке друг на друга карбид молибдена наиболее эффективно расщепляет воду, за ним следует карбид вольфрама, а затем карбид кобальта, который не образует тонких слоев, как два других. Смешивание ионов молибдена с небольшим количеством кобальта еще больше повысило производительность.
«Возможно, что другие формы карбида могут обеспечить еще лучшие характеристики», - сказал Лин.
Двумерная форма катализатора - одна из причин его успеха. Это связано с тем, что вода должна находиться в контакте с поверхностью катализатора, чтобы выполнять свою работу, а большая площадь поверхности листов означает, что карбиды металлов чрезвычайно эффективны для своего веса.
Поскольку рецепт настолько прост, его можно легко масштабировать для производства большого количества катализатора, говорят исследователи.
"Мы обнаружили, что производительность очень близка к лучшему катализатору из платины и углерода, который является золотым стандартом в этой области", - сказал Лин. «Это означает, что мы можем заменить очень дорогую платину нашим материалом, который производится в очень масштабируемом производственном процессе».