Эффективность добычи водорода из воды повысили в полтора раза с помощью серы

Водородная энергетика может стать хорошей альтернативой ископаемым нефти и газу, поскольку водород — экологически чистое топливо, которое можно добывать из обычной воды. При сжигании водород образует воду, а не углекислый газ, поэтому водородное топливо считается возобновляемым и экологичным, и переход на водородную энергетику позволит снизить выбросы парниковых газов.

Чтобы добыть из воды водород, ее окисляют с помощью катализаторов — соединений, ускоряющих химические превращения, — под действием которых она разлагается на протоны (ионы водорода) и кислород. Потом полученные протоны за счет другого катализатора объединяют в молекулярный водород. Катализаторы при этом размещают на разных электродах электрохимической ячейки — устройства, в котором энергия электрического тока преобразуется в энергию химических реакций. При протекании тока через электрохимическую ячейку на одном электроде происходит расщепление воды, а на другом — синтез водорода. 

Катализаторами могут выступать такие металлы как кобальт, платина, иридий, никель, однако они довольно дороги, и добыча водорода с их помощью увеличивает цену топлива. Ученые ищут альтернативные соединения из более дешевых металлов, например, меди и хрома, чтобы достигнуть такой же производительности в добыче водорода, как у соединений с платиной (катализатор из нее запускает не менее 15–20 реакций в секунду).

Ученые из Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН (Москва) с коллегами синтезировали катализатор из сплава на основе меди и хрома с добавлением серы. Авторы пропитали раствором хлорида хрома так называемую медную пену — структуру из меди с большим количеством пор и каналов, — а затем обжигали ее сначала в течение 12 часов при 180°C, затем 3–4 часа при 500°C в бескислородных условиях. Большая площадь поверхности катализатора (за счет пор медной пены) позволяет связывать большое количество молекул воды и протонов, что увеличивает его эффективность, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Получившуюся пластину ученые погрузили в раствор сульфида натрия (источника серы) и обжигали при температуре 90°C в течение нескольких часов, чтобы присоединить к катализатору серу. Сера повышает проводимость металлов и энергию адсорбции — меру прочности связи, образующейся между протоном (ионом водорода) и катализатором.

Ученые проверили эффективность нового катализатора, опустив полученную пластину в воду и измерив, насколько быстро в ее присутствии генерируется молекулярный водород. Новое соединение позволило снизить затраты на электричество для выделения водорода в 1,5 раза. Эффективность катализаторов с серой, полученных путем 12-часового обжига, оказалась почти равна эффективности платинового катализатора.

«Благодаря сочетанию высокой каталитической активности, стабильности и низкой себестоимости разработанный катализатор с серой представляет значительный интерес для промышленного применения. Его использование в производстве "зеленого" водорода способно сделать водородную энергетику более доступной, существенно снизив стоимость экологически чистого топлива», — рассказал руководитель проекта Сулейман Аллахвердиев, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, заслуженный деятель науки РФ, заведующий лабораторией управляемого фотобиосинтеза Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Университета имени короля Халида (Саудовская Аравия), Университета нефти и полезных ископаемых короля Фахда (Саудовская Аравия) и Уханьского технологического университета (Китай).

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Inorganic Chemistry Communications.