Нанокомпозит

30 августа 2023 диалог

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

написано исследователем(ями)

корректура

Анкур Кумар и Сасанка Дека

Сокращение традиционных энергетических ресурсов, основанных на ископаемом топливе, и связанные с этим экологические последствия привлекли внимание всего мира к развитию возобновляемых источников энергии. Эти возобновляемые энергетические ресурсы могут не удовлетворить все энергетические потребности массового населения мира; однако они ограничивают воздействие парниковых газов, а также загрязнение воздуха, вызванное сжиганием ископаемого топлива. Среди альтернативных ресурсов водород считается самым чистым энергоносителем.

Однако водород не существует в природе в чистом виде, как кислород, и его приходится производить из водородсодержащих ресурсов, таких как природный газ (метан), уголь, биомасса и вода, путем риформинга, термического разложения или электролиза. Но производство водорода из природного газа, угля и биомассы приводит к выбросам углекислого газа (CO2), вызывающего парниковый эффект.

Мы знаем, что вода (H2O) состоит из атомов водорода и кислорода; следовательно, морская вода может быть безграничным источником водорода. Поэтому водород рассматривается как возможная замена ископаемому топливу. Производство энергии из возобновляемых источников (с использованием энергии ветра, солнечной энергии, гидроэнергии, энергии волн и т. д.) называется «зеленым водородом». В этом сценарии одним из предлагаемых методов является расщепление воды на водород и кислород с использованием возобновляемой электроэнергии в электролизере на поверхности надежного электрокатализатора.

Несмотря на достижения в этой области, процесс выплескивания воды для производства доступного зеленого водорода по-прежнему остается вялым из-за ограничений, связанных с эффективными электрокатализаторами. Теоретически вода расщепляется при напряжении 1,23 В. Однако на практике это значение превышает 1,5 В (что означает потерю дополнительной энергии). Эта минимальная энергия теоретически необходима для разрушения молекулы воды. Для этого процесса в электролизере используются дорогие электрокатализаторы на основе благородных и драгоценных металлов, например Pt, Pd, Au, Rh, Ir и др.

Основными проблемами, с которыми сталкиваются промышленность и эксперты, являются окисление воды с образованием O2 и стабильность катализатора в жестких промышленных щелочных условиях. В первой задаче полуячеечная реакция является восходящей реакцией, в которой участвуют четыре электрона и где требуется большая часть энергии, не считая потерь энергии, связанных с удельным сопротивлением различных компонентов (электролита, соединений, катализатора и т. д.) электролизер. Во второй проблеме дорогостоящие катализаторы часто теряют свою активность из-за деградации поверхности. В этих условиях для такой реакции расщепления воды необходим дешевый и доступный, но высокоактивный и стабильный электрокатализатор.

В недавнем исследовании наша команда под руководством Сасанки Дека спроектировала и разработала новый высокоэффективный, но при этом экономически выгодный электрокатализатор на основе нанокомпозитов для общего расщепления воды. Нанокомпозит представляет собой гомогенную смесь двух или более материалов, присутствующих в нанометровом диапазоне. Настоящий нанокомпозит представляет собой наноархитектуру на основе наночастиц, делегированных NiCu, на иерархических нанолистах Co. Наши результаты опубликованы в журнале ACS Catalogue.

Используемые материалы дешевле драгоценных металлов, а процедура синтеза очень удобна. Этот новый катализатор использовался в электролизере с электролитом гидроксида калия (КОН) для расщепления воды. Интересно, что система демонстрирует расщепление воды и производство газообразного водорода с использованием электрокатализатора NiCu/Co при напряжении ячейки 1,46 В. Таким образом, электрокатализатор способен расщеплять воду, используя всего лишь бытовую 1,5-вольтовую батарейку.