Это решит одно из основных препятствий на пути использования воды для производства водорода, одного из самых многообещающих источников чистой энергии.«Водород — это самый чистый первичный источник энергии, который у нас есть на Земле», — сказал Пол К. В. Чу, председатель кафедры науки TLL Temple, директор-основатель и главный научный сотрудник Техасского центра сверхпроводимости в UH. «Вода могла бы быть самым распространенным источником водорода, если бы можно было отделить водород от его прочной связи с кислородом в воде с помощью катализатора».Чу и его коллеги, в том числе физики Чжифэн Рен и Шуо Чен, которые также являются основными исследователями Техасского центра сверхпроводимости в UH, сообщают о своем открытии — эффективном катализаторе, произведенном без наиболее часто используемых дорогих драгоценных металлов — на этой неделе в Известия Естественной Академии Наук.Среди других исследователей, участвующих в проекте, — исследователи с докторской степенью Хайцин Чжоу и Фан Юй, а также аспиранты Цзинъин Сунь и Ран Хэ.
Катализатор, состоящий из метафосфата двухвалентного железа, выращенного на платформе из токопроводящей пены никеля, намного более эффективен, чем предыдущие катализаторы, а также дешевле в производстве.«С точки зрения затрат он намного ниже, а с точки зрения производительности — намного лучше», — сказал Чжифэн Рен, профессор физики доктора медицины Андерсона и ведущий автор статьи. Катализатор также долговечен, работает более 20 часов и 10 000 циклов испытаний.
«Некоторые катализаторы превосходны, но стабильны только в течение одного или двух часов», — сказал Рен. «Это бесполезно».Хотя теоретически это просто, расщепление воды на водород и кислород — сложный процесс, требующий двух отдельных реакций — реакции выделения водорода и реакции выделения кислорода, каждая из которых требует отдельного электрода. Хотя водород является более ценным компонентом, его невозможно получить без производства кислорода.
И хотя эффективные водородные катализаторы доступны, Рен сказал, что отсутствие недорогого и эффективного кислородного катализатора создало узкое место в этой области.Водород имеет ряд преимуществ. «Водород (H2), полученный в результате расщепления воды с помощью электрохимического процесса, называемого водным электролизом, считается экологически чистым и устойчивым энергетическим ресурсом для замены ископаемого топлива и удовлетворения растущего мирового спроса на энергию, поскольку вода является как единственным исходным материалом, так и «побочный продукт, когда чистая энергия производится путем преобразования H2 обратно в воду», — пишут исследователи.И в отличие от солнечной энергии, энергии ветра и другой «чистой» энергии водород можно легко хранить.
В настоящее время большая часть водорода производится путем парового риформинга метана и газификации угля; эти методы увеличивают углеродный след топлива, несмотря на то, что оно горит чисто.Чен сказал, что реакции выделения кислорода часто зависят от электрокатализатора, использующего «благородный металл» — иридий, платину или рутений. Но они дороги и труднодоступны.
«В этой работе мы обнаружили высокоактивный и стабильный электрокатализатор на основе элементов с большим содержанием земли, который даже превосходит по своим характеристикам электрокатализаторы на основе благородных металлов», — сказала она. «Наше открытие может привести к более экономичному подходу к производству водорода путем электролиза воды».Расщепление воды может быть вызвано электрическим током или фотокатализом с использованием энергии солнца.
Прямое разделение воды с помощью солнечной энергии слишком неэффективно, поскольку вода может поглощать лишь небольшую часть светового спектра. В идеале, сказал Рен, солнечная энергия должна использоваться для выработки электроэнергии, используемой для разделения воды.