Однако для систем разделения воды требуется очень эффективный катализатор для ускорения химической реакции, которая расщепляет воду на водород и кислород, предотвращая при этом рекомбинацию газов обратно в воду. Теперь международная исследовательская группа, включая ученых из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, разработала новый катализатор с молибденовым покрытием, который предотвращает эту проблемную обратную реакцию и хорошо работает в реальных условиях эксплуатации.Ключевая часть разработки была сосредоточена на понимании того, как работает молибденовое покрытие, с помощью экспериментов в Стэнфордском источнике синхротронного излучения (SSRL) SLAC, пользовательском центре Министерства энергетики США. Ученые сообщили о своих результатах 13 апреля в Angewandte Chemie.
«Когда вы расщепляете воду на водород и кислород, газообразные продукты реакции легко рекомбинируют обратно в воду, и этого крайне важно избежать», — сказал Анхель Гарсиа-Эспарса, ведущий автор и в настоящее время научный сотрудник Ecole Normale Superieure de Lyon. . «Мы обнаружили, что катализатор, покрытый молибденом, способен селективно производить водород из воды, подавляя обратные реакции образования воды».Эксперименты показали, что их стратегия покрытия молибденом может применяться в устройствах электрокатализа и фотокатализа, добавил Гарсиа-Эспарса.
Это устройства, которые помогают ускорить реакцию с помощью электричества или света.В поисках стабильностиГарсиа-Эспарса участвовал в разработке нового катализатора, будучи аспирантом Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии под руководством Казухиро Таканабе, доцента кафедры химических наук в KAUST.
Исследовательская группа Таканабе изучила стабильность, характеристики и функции многих различных элементов, прежде чем выбрать молибден в качестве покрытия для стандартного катализатора на основе платины.«Поиск покрытия, которое хорошо работает в кислотном электролите, используемом для расщепления воды, было серьезной проблемой для моих сотрудников, потому что многие материалы быстро разлагаются в кислотных условиях», — сказал соавтор Димостенис Сокарас, штатный научный сотрудник SLAC.Из протестированных покрытий «молибден был лучшим материалом в кислой среде, где условия для выделения водорода благоприятны и легки», — пояснил Гарсиа-Эспарса.
Тестирование производительностиДругой важной задачей было найти способ измерить свойства покрытого молибденом катализатора, поскольку эти соединения молибдена нестабильны при воздействии воздуха. «Извлечение катализатора из воды нарушает идентичность материала», — сказал Гарсиа-Эспарса. «Поэтому было необходимо изучить электрокатализатор в рабочих условиях, что сложно».Поэтому Гарсиа-Эспарса провел лето, проводя электрохимические эксперименты в SSRL, чтобы охарактеризовать новый катализатор в рабочих условиях. «Идея заключалась в совместной работе, чтобы увидеть, как работает катализатор с молибденовым покрытием, и определить его электронную структуру во время работы», — сказал Сокарас. «Мы хотели понять, почему не происходит обратной реакции».Они протестировали чистый платиновый катализатор с молибденовым покрытием и без него во время электролиза воды в SSRL, используя в работе рентгеновскую абсорбционную спектроскопию с изготовленной на заказ электрохимической ячейкой. «В SSRL мы, по сути, могли заниматься электрохимией, анализируя образец с помощью синхротронного излучения», — сказал Гарсиа-Эспарса. «Эксперименты, проведенные в SLAC, были последней частью головоломки по определению локальной структуры и состояния электрокатализатора в рабочих условиях производства водорода».
«Наши результаты подтверждают, что слой молибдена действует как мембрана, блокирующая кислород и водородный газ от попадания вблизи поверхности платины, что предотвращает образование воды», — сказал Сокарас.Кроме того, исследовательская группа изучила приложения для фотокатализа. Они построили фотокаталитическую систему разделения воды, используя либо стандартный катализатор платины на оксиде титана стронция (Pt / SrTiO3), либо тот же катализатор, покрытый молибденом.
Обе системы были испытаны в KAUST при включенном и выключенном свете, то есть с источником энергии, приводящим в действие реакцию расщепления воды, и без него.Когда горел свет, стандартный катализатор Pt / SrTiO3 увеличивал производство водорода всего на шесть часов, потому что система теряла эффективность из-за обратной реакции. Когда свет был выключен, количество водорода со временем уменьшалось, что свидетельствовало о том, что значительное количество газов рекомбинирует с образованием воды.
Напротив, катализатор, покрытый молибденом, непрерывно расщепляет воду для генерирования увеличивающихся количеств газообразного водорода в течение 24 часов, производя примерно вдвое больше газообразного водорода, чем стандартный катализатор за один день. Кроме того, количество водорода оставалось стабильным в темноте, подтверждая, что покрытие препятствует образованию воды.
Эти результаты являются многообещающими, но еще предстоит проделать большую работу, прежде чем катализатор можно будет использовать в практическом устройстве. Сокарас сказал: «Я думаю, что мы далеки от того, чтобы на самом деле говорить о коммерческом устройстве, но это, безусловно, огромное улучшение — иметь этот новый каталитический материал, который предотвращает обратную реакцию. Теперь нам нужно найти способ сделать покрытие более стабильным. поэтому он производит водород еще дольше ».