Известно, что водород является одним из перспективных видов экологически чистого топлива, источник которого неисчерпаем в буквальном смысле этого слова. Однако, все процессы получения водорода, используемые в химической промышленности на сегодняшний день, крайне дорогостоящи и имеют отрицательный энергетический баланс, что делает экономически необоснованным начало широкого использования водородного топлива. Однако, в ближайшем времени данная ситуация может измениться благодаря работе ученых из Королевского Технологического института KTH (KTH Royal Institute of Technology) в Стокгольме. Эти ученые разработали новый, стабильный, высокоэффективный и, самое главное, недорогой способ получения водорода путем электрохимического расщепления воды.
Процесс расщепления воды под воздействием электрического тока используется уже очень давно для получения водорода. Но катализаторы, участвующие в этом процессе, обычно изготавливаются на базе драгоценных или редкоземельных металлов, что делает такой процесс весьма и весьма дорогим. Именно на катализаторах и сосредоточилась исследовательская группа, возглавляемая профессором Ликэнгом Суном (Licheng Sun), за плечами которой уже имеется опыт разработки молекулярных катализаторов для процесса фотохимического расщепления воды, эффективность которых приближается к эффективности естественного фотосинтеза.
Новые катализаторы, разработанные исследовательской группой, изготовлены на базе достаточно распространенных на Земле материалов. Основой этого катализатора является монослойная двойная гидроокись никеля и ванадия, толщина слоя которого составляет менее одного нанометра. Такой каталитический монослой никеля и ванадия по многим параметрам выигрывает у других катализаторов, изготовленных из недрагоценных металлов, по эффективности он уже может составить конкуренцию с катализаторами на базе окиси иридия (IrO2) или окиси рутения (RuO2).
Использование монослойного катализатора позволяет не только увеличить активную поверхность электродов установки электролиза. Его использование увеличивает эффективность передачи электронов из электронов в электролит и наоборот, что также сказывается на увеличении эффективности процесса в целом.
"Основной трудностью, с которой мы столкнулись, было введение металлического ванадия в гидроокись никеля. Но потраченные усилия не пропали даром, и полученные результаты превзошли все наши ожидания" — рассказывает Ки Фэн (Ke Fan), один из исследователей, — "Полученная эффективность расщепления воды при участи нового катализатора уже позволяет использовать его для производства гидролизных ячеек нового типа, потенциал которых способен произвести революцию в технологиях получения водорода".
Известно, что водород является одним из перспективных видов экологически чистого топлива, источник которого неисчерпаем в буквальном смысле этого слова. Однако, все процессы получения водорода, используемые в химической промышленности на сегодняшний день, крайне дорогостоящи и имеют отрицательный энергетический баланс, что делает экономически необоснованным начало широкого использования водородного топлива. Однако, в ближайшем времени данная ситуация может измениться благодаря работе ученых из Королевского Технологического института KTH (KTH Royal Institute of Technology) в Стокгольме. Эти ученые разработали новый, стабильный, высокоэффективный и, самое главное, недорогой способ получения водорода путем электрохимического расщепления воды.
Процесс расщепления воды под воздействием электрического тока используется уже очень давно для получения водорода. Но катализаторы, участвующие в этом процессе, обычно изготавливаются на базе драгоценных или редкоземельных металлов, что делает такой процесс весьма и весьма дорогим. Именно на катализаторах и сосредоточилась исследовательская группа, возглавляемая профессором Ликэнгом Суном (Licheng Sun), за плечами которой уже имеется опыт разработки молекулярных катализаторов для процесса фотохимического расщепления воды, эффективность которых приближается к эффективности естественного фотосинтеза.
Новые катализаторы, разработанные исследовательской группой, изготовлены на базе достаточно распространенных на Земле материалов. Основой этого катализатора является монослойная двойная гидроокись никеля и ванадия, толщина слоя которого составляет менее одного нанометра. Такой каталитический монослой никеля и ванадия по многим параметрам выигрывает у других катализаторов, изготовленных из недрагоценных металлов, по эффективности он уже может составить конкуренцию с катализаторами на базе окиси иридия (IrO2) или окиси рутения (RuO2).
Использование монослойного катализатора позволяет не только увеличить активную поверхность электродов установки электролиза. Его использование увеличивает эффективность передачи электронов из электронов в электролит и наоборот, что также сказывается на увеличении эффективности процесса в целом.
"Основной трудностью, с которой мы столкнулись, было введение металлического ванадия в гидроокись никеля. Но потраченные усилия не пропали даром, и полученные результаты превзошли все наши ожидания" — рассказывает Ки Фэн (Ke Fan), один из исследователей, — "Полученная эффективность расщепления воды при участи нового катализатора уже позволяет использовать его для производства гидролизных ячеек нового типа, потенциал которых способен произвести революцию в технологиях получения водорода".
Схема электролиза без мембраны: два параллельных электрода располагаются на расстоянии в несколько сотен микрометров
Не секрет, что чистый водород — один из наиболее перспективных видов альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду, что может быть прекраснее?
Проблема только в стоимости добычи водорода. Электролиз воды предполагает, что электроды погружаются в воду, а между ними находится полимерная мембрана. Ток идёт от катода к аноду, а на своём пути он (при помощи катализатора) расщепляет воду на кислород и водород. Полимерная мембрана выполняет важную функцию, разделяя получившиеся газы.
На сегодняшний в качестве мембраны с ионной проводимостью практически повсеместно используется нафион или другой тип мембраны. Но все они отличаются дороговизной и ограниченным сроком службы. К тому, мембраны требуют особых условий проведения электролиза. Например, нафион работает в жидкости только с низкой кислотностью и только с определёнными катализаторами.
Изобретение химиков из EPFL под руководством Деметри Псалтиса (Demetri Psaltis) позволяет избавиться от этих ограничений и намного удешевить электролиз воды.
Они провели ряд экспериментов с микроустройством, размещая электроды на разном расстоянии друг от друга и прогоняя между ними воду на разной скорости. Оказалось, что при определённом расстоянии между электродами H2 и O2 сами разлетаются в разные стороны, без всякой мембраны!
Причина такого поведения ионов — эффект Сегре-Зильберберга, когда при движении жидкости находящиеся в ней частицы поток уносит в стороны.
Учёные надеются, что им удастся приспособить прибор для работы с любыми видами жидких электролитов и любыми катализаторами, поскольку больше нет риска повреждения хрупкой мембраны. Исчезнут обязательные требования использовать только благородные металлы вроде платины из-за ограничений на кислотность (pH) жидкости.
Если получится масштабировать микроустройство до промышленного образца, то это кардинально снизит стоимость водорода, получаемого при электролизе воды.
Научная работа “A membrane-less electrolyzer for hydrogen production across the pH scale” опубликована в журнале “Energy & Environmental Science”, DOI: 10.1039/C5EE00083A (зеркало).
Загрузка...
