«Чистая энергия» всегда находится в нескольких шагах от нас, но мы по-прежнему далеки от того. Большая часть энергии для транспортировки, отопления, охлаждения и производства до сих пор добывается с использованием топливных материалов. Но благодаря нескольким научным прорывам водород — самый распространенный элемент во вселенной, может стать энергетическим носителем будущего, обеспечив человечество чистой энергией.
Сделав еще один шаг к достижению цели, команда ученых из штата Пенсильвания и Университета штата Флорида разработала более дешевый и промышленно масштабируемый катализатор для получения чистого водорода через низкоэнергетический процесс разделения воды.
Как ученые предлагают решить проблему добычи «чистой энергии» с помощью нового катализатора?
«Энергия — это самая важная проблема нашего времени, и для добычи энергии нужны топливные элементы, а в качестве топливного элемента можно использовать водород», — говорит Юй Лей, кандидат в президенты штата Пенсильвания и первый автор новой статьи В ACS Nano, описывающей новый катализатор, который она и ее коллеги теоретически описали и синтезировали в лаборатории. «Люди искали хороший катализатор, который может эффективно разделять воду на водород и кислород. В ходе этого процесса не будет выделяться побочных продуктов, которые могли бы навредить экологии».
Метод промышленного производства водородно-парового риформинга метана, который используется сегодня, приводит к выбросу CO2 в атмосферу. Другие методы используют отработанное тепло, например, от передовых атомных электростанций или концентрированной солнечной энергии. Совершенствование таких методов добычи энергии невозможно с точки зрения технологического развития.
В других методах промышленной добычи водорода для процесса разделения воды в качестве катализатора используется платина. Хотя платина является почти идеальным катализатором, она также дорогая. Более дешевый катализатор мог бы сделать водород разумной альтернативой ископаемым.
«Дисульфид молибдена (MoS2) сегодня позиционируется как возможная альтернатива платине, поскольку свободная энергия Гиббса для поглощения водорода близка к нулю», — говорит профессор физики, материаловедения и инженерии и химии в штате Пенн Маурисио Терронс. Чем ниже свободная энергия Гиббса, тем меньше энергии требуется для получения химической реакции.
Однако в ходе проведения экспериментов были найдены недостатки в использовании MoS2 в качестве катализатора. В своей стабильной фазе MoS2 является полупроводником, что ограничивает его способность проводить электроны.
Чтобы обойти эту проблему, команда использовала восстановленный оксид графена, высокопроводящую форму углерода. Затем, чтобы дополнительно уменьшить свободную энергию, они сплавили MoS2 с вольфрамом, чтобы создать тонкую пленку с чередующимися графеновыми и вольфрам-молибденовыми дисульфидными слоями. Добавление вольфрама снижает электрическое напряжение, необходимое для разделения воды на две составляющих, с 200 милливольт с чистым MoS2 до 96 милливольт с вольфрам-молибденовым сплавом.
Дисульфид молибдена (MoS2). Как проходит реакция?
Процесс разделения воды требует небольшого количества электрической энергии. Используя небольшой потенциал, протоны в растворе могут абсорбироваться на поверхности катализатора. Затем два протона образуют водородный пузырь, который поднимается на поверхность и высвобождает водород.
С теоретической точки зрения электронные орбитали играют решающую роль. В случае использования чистого MoS2 орбитали из металла плохо взаимодействуют с орбиталью водорода на ключевой стадии реакции; Однако, когда присутствует сплав, эти орбитали хорошо взаимодействуют и делают реакцию более эффективной. Это похоже на то, что происходит с платиной, именно поэтому она настолько энергоэффективна.
Однако в этой работе исследователи показали, что более дешевые и более доступные элементы могут использоваться эффективно, и превосходить все лучшие катализаторы.
«То, что происходит в этих сплавах, — это активное взаимодействие орбиталей, что делает реакцию более эффективной. Такая реакция не наблюдается при использовании чистых компонентов. Это пример, когда гибрид лучше чистых компонентов», — говорит Хосе Л. Мендоса-Кортес , Профессор химического машиностроения, материаловедения и инженерных и научных вычислений штата Флорида.
Водородные топливные элементы могут стимулировать использование истой энергии не только в транспортном секторе, но и для хранения электроэнергии, производимой солнечными и ветровыми станциями. Проведенное учеными исследование еще одним шагом к достижению этой цели.
