Получение водорода без выбросов углекислого газа выглядит просто: пропустить ток через воду и разделить её на кислород и водород. Главная сложность - в электрокатализаторах, веществах, ускоряющих реакции на электродах. Лучшие из них делают из платины, рутения и иридия - редких и дорогих металлов. Группа Шива Сингха из CSIR-AMPRI в Бхопале проверила, справятся ли с задачей оксиды железа и никеля на углеродных нановолокнах. Результаты опубликованы в ACS Applied Nano Materials.

Сегодня около 96% водорода в мире производят из ископаемого топлива. При выпуске одного килограмма такого водорода в атмосферу попадает примерно 10 кг углекислого газа, а при производстве так называемого голубого - около 6 кг. Зелёный водород, получаемый электролизом воды, этих выбросов не даёт. В электролизе две ключевые реакции: выделение кислорода на аноде и выделение водорода на катоде. Обеим нужен катализатор, чтобы идти при приемлемом напряжении.

Основой нового материала стал MXene - двумерный проводящий материал состава Ti3C2Tx, тонкие слои, хорошо проводящие ток. Такие слои легко окисляются и слипаются, что повышает сопротивление. Чтобы это обойти, исследователи вырастили на них углеродные нановолокна методом химического осаждения из паровой фазы: смешали MXene с солью железа или никеля, высушили и нагрели в азоте до 400 градусов, затем подняли температуру до 720 градусов и два часа подавали ацетилен как источник углерода. Частицы оксида металла оказались на кончике каждого волокна - такой процесс называют верхушечным ростом. Полученные образцы обозначили FeO-CNF@MX и NiO-CNF@MX.

Электронная микроскопия показала волокна, растущие поперёк слоёв MXene, с частицей оксида на конце. Рентгеновская дифракция и спектроскопия комбинационного рассеяния подтвердили, что слоистая структура MXene сохранилась. У никелевого композита углерод оказался более графитизированным, то есть менее дефектным: отношение дефектности по спектрам составило 0,40 против 0,68 у железного.

Оба материала испытали в 1 молярном растворе гидроксида калия. Нанесение волокон на MXene улучшило характеристики по сравнению с одними волокнами. Для выделения водорода никелевому композиту потребовалось перенапряжение 490 мВ, чтобы достичь плотности тока 10 мА/см2, железному - 520 мВ, а волокнам без MXene - 570 и 550 мВ соответственно. Перенапряжение - это дополнительное напряжение сверх теоретического минимума, необходимое для реакции.

Для выделения кислорода никелевому образцу хватило 300 мВ, железному - 360 мВ. Никелевый композит отстал всего на 50 мВ от эталонного оксида рутения, которому нужно 250 мВ. Сопротивление переносу заряда у никелевого материала тоже было чуть ниже - 15,5 Ом против 16,5 Ом у железного.

Когда тот же материал поставили на оба электрода небольшого прототипа электролизёра, картина изменилась. Железный композит достиг 10 мА/см2 при 2,2 В, а никелевому потребовалось 2,7 В. По мнению авторов, центры железа помогают стабилизировать реакционноспособные кислородные промежуточные частицы, что ускоряет выделение кислорода в полной ячейке. За 24 часа испытаний напряжение ячейки сместилось лишь на 0,2-0,3 В у обоих материалов, причём у никелевого чуть меньше: с 2,38 до примерно 2,6 В против 2,4-2,7 В у железного.

До платины новым катализаторам пока далеко: она достигает 10 мА/см2 при перенапряжении всего 70 мВ. Тем не менее работа показывает, что простой и масштабируемый способ позволяет превратить дешёвые оксиды металлов в рабочие катализаторы для обеих реакций. Железный композит оказался активнее в полной ячейке на старте, а никелевый - стабильнее при длительной работе. Это результаты лабораторных испытаний, и о промышленном применении речи пока не идёт.

Источник: Phys.org