Международная группа ученых создала нанокомпозит на основе окислов железа, никеля и углеродных нановолокон. Разработка способна заменить дорогостоящие металлы при производстве чистого водорода.
Концепция получения чисты главного топлива будущего — зеленого водорода — путем расщепления молекул воды с помощью электрического тока кажется достаточно простой. Однако главным барьером для массового внедрения этой технологии остается высокая стоимость электрокатализаторов.
Читайте также:
Эффективность 98% и никаких мембран. Израильские ученые нашли способ удешевить зеленый водород Лучшие современные образцы производятся на основе ценных металлов, таких как платина, рутений и иридий. Следует отметить, что сегодня около 96 процентов всего водорода в мире добывается из ископаемого топлива путем газификации угля и паровой конверсии природного газа. Такая технология сопровождается огромными выбросами углекислого газа: производство 1 килограмма серого водорода приводит к выбросу около 10 килограммов CO₂, а синего — около 6 килограммов.
Расщепление воды позволяет полностью избежать этих вредных выбросов,
но требует эффективных и доступных материалов. Чтобы решить эту проблему, ученые провели исследование, результаты которого изложеныв научном журнале ACS Applied Nano Materials. Они создали инновационные композитные материалы, закрепив доступные оксиды железа и никеля на углеродных нановолокнах, выращенных непосредственно на двумерных нанолистах Ti₃C₂Tₓ MXene.
Листы MXene отлично проводят электрический ток, но подвержены окислению и слипанию. Выращивание нановолокон методом химического осаждения из газовой фазы при высоких температурах (сначала 400 °C, а затем 720 °C с использованием ацетилена в течение 2 часов) позволило сохранить слоистую структуру и создать ведущую основу с огромным количеством активных центров. Полученные материалы маркировали как FeO-CNFMX и NiO-CNFMX.
Лабораторные испытания в одномолярном растворе гидроксида калия показали впечатляющие результаты. Для реакции выделения кислорода композита на основе никеля потребовалось перенапряжение только 300 милливольт для достижения плотности тока 10 миллиампер на квадратный сантиметр, что только на 50 милливольт уступает эталонному оксиду рутения (250 милливольт).
Зеленый композит FeO-CNFMX показал результат в 360 милливольт.
Кроме того, никелевый материал демонстрировал более низкое сопротивление переносу заряда — 15,5 Ом против 16,5 Ом у железного аналога. Во время тестирования полноценного прототипа электролизера с одинаковым материалом на обоих электродах образцы проявили себя по-разному. Железный композит достиг рабочей плотности тока 10 миллиампер на квадратный сантиметр при напряжении 2,2 Вольта, тогда как никелевому понадобилось 2,7 Вольта, поскольку центры железа лучше ускоряют выделение кислорода.
В то же время, во время круглосуточного 24-часового тестирования оба материала продемонстрировали высокую стабильность с изменением напряжения всего на 0,2−0,3 Вольта. Хотя новые катализаторы пока уступили платине по эффективности реакции выделения водорода, разработанный простой и масштабируемый способ синтеза открывает реальные перспективы создания дешевых и надежных систем электролиза промышленного масштаба.
Читайте также:
