Специалисты Южного федерального университета (ЮФУ) создали универсальный материал, способный генерировать топливо из воды. По словам ученых Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ, их разработка может найти применение в производстве экологически чистого топлива и накопления энергии. Кроме того, технология значительно повысит эффективность расщепления воды, способствуя переходу к устойчивой энергетике.
Одна из важных задач современности – поиск новых энергетических технологий, которые не принесут ущерб климату, будут эффективны и полезны для экономики. Одними из успешных видов подобных технологий считаются катализаторы – вещества или материалы, которые ускоряют электрохимические реакции. Их используют для улучшения процессов водородного (выделение водорода) и кислородного (восстановление кислорода) электролиза, а также для улучшения работы топливных элементов и аккумуляторных батарей.
На сегодняшний день самыми эффективными электрокатализаторами для восстановления кислорода и выделения водорода являются платина и ее производные. Тем не менее эти благородные материалы очень дорогостоящие, к тому же они не обеспечивают защиту от химических веществ, окисляющих топливо, и не обеспечивают долговременную эксплуатационную надежность. В связи с этим ученые Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ под руководством ведущего научного сотрудника «Научно-исследовательской лаборатории технологии функциональных наноматериалов» Татьяны Мясоедовой создали новый материал, который может помочь более эффективно генерировать водород и кислород из воды – сульфид меди-молибдена (CuMoS). При этом электрод, состоящий из сульфидов меди и молибдена микростержневой структуры на пеноникеле, можно использовать в качестве активного и надежного бифункционального электрокатализатора для расщепления воды.
«За последние несколько десятилетий были исследованы различные катализаторы на основе переходных металлов для электрохимического применения, разложения загрязняющих веществ и, особенно, расщепления воды. Ионы меди являются основными среди этих металлов из-за их хорошей проводимости, высокой стабильности, доступности и низкой стоимости. Исследования других ученых показали, что MoS2 с кристаллической фазой 1Т способен достигать хороших каталитических характеристик без какого-либо окисления на активных краях. Поэтому основной задачей исследования было целенаправленно синтезировать CuMoS с более высокой электронной проводимостью, стабильностью, долговечностью», – рассказала Татьяна Мясоедова.
По ее словам, существуют аналогичные материалы и катализаторы, но преимущество микростержней CuMoS, синтезированных в ЮФУ, заключается в их эффективной бифункциональности. Они обладают высокой активностью для генерации как водорода, так и кислорода, что снижает общие затраты энергии, необходимые для расщепления воды, по сравнению с использованием катализаторов для каждой реакции.
«Практическая значимость наших результатов заключается в потенциале производства экологически чистого водорода и накопления энергии. Эта технология могла бы значительно повысить эффективность расщепления воды, способствуя переходу к устойчивой энергетике», – отметила Татьяна Мясоедова.
Исследование включало синтез материалов с помощью простого гидротермального метода, электрохимические испытания и методы определения структурных характеристик. По данным ученых, такие методы, как рентгеновская дифракция, электронная микроскопия и электрохимический анализ, сыграли решающую роль в характеристике материала и его электрокаталитических свойствах.
Специалисты также отмечают, что в будущем перед коллективом стоит задача оптимизации процесса синтеза микростержней CuMoS, расширение масштабов производства и тестирование материала в реальных условиях. Для этой работы идею предложил старший научный сотрудник ИНЭП ЮФУ, участник программы постдоков ЮФУ в рамках Программы развития «Приоритет-2030» (нацпроект «Наука и университеты») Раджатсинг Калисулингам. Уже год молодой ученый совместно с коллективом Южного федерального университета занимается в университете разработкой слоистых двойных гидроксидов и композитов на их основе для целей энергетики. Результаты исследования опубликованы в журнале «Chemistry Europe».
