Ученые нашли катализатор для эффективного производства водорода
 Последовательная процедура химического пилинга, с помощью которой были получены атомарно тонкие листы тунгстенита. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Известно, что водород может быть более чистой альтернативой традиционным видам ископаемого топлива, особенно если он получается электрохимическим методом из обычной морской воды. Так называемая реакция выделения водорода вполне может осуществляться в мембранных ячейках на основе полимерного электролита (polymer electrolyte membrane cell, PEMC). Однако прежде чем их использование станет экономически оправданным, ученым предстоит разработать более совершенные катализаторы, которые снижают перенапряжение в этой структуре. На сегодняшний день самый известный электроактивный катализатор для водородных топливных элементов – это платина, но она слишком дорога для широкого использования.
В роли катализаторов могут выступать химические соединения, получившие название дихалькогенидов. Это легко обрабатываемые материалы, имеющие химическую формулу MX2, где M представляет собой переходный металл (к примеру, молибден или вольфрам), а X – это сера, селен или теллур. Такие материалы являются в «объемном» варианте полупроводниками с непрямой запрещенной зоной, а в двумерных структурах переходят в полупроводники с прямой запрещенной зоной. Это свойство может сделать их идеальными структурными элементами для различных оптоэлектронных приложений, в частности, в рамках производства светодиодов или солнечных батарей.
Работая в этом направлении, группа ученых из Rutgers University (США) обнаружила, что хорошим катализатором для реакции получения водорода может быть новая структура кристалла WS2, известная, как 1T фаза, обладающая металлическими свойствами. Она имеет октаэдрическую геометрию и ранее никогда не изучалась (до сих пор исследователи обращали особое внимание только на так называемую 2H фазу, которая имеет тригональную призматическую геометрию и проявляет полупроводниковые свойства). По своей структуре монослой WS2 очень похож на графена, за исключением того, что он состоит из одного атома вольфрама, заключенного между двумя слоями атомов серы, соединение с которыми осуществляется при помощи ионных связей. Таким образом, монослой WS2 имеет толщину в три атома, в то время как графен, состоящий исключительно из атомов углерода, имеет толщину 1 атом.
Стоит отметить, что проявление полупроводниковых или металлических свойств (т.е. фаза 1T или 2H) зависит от координации атомов вольфрама. В рамках своей работы ученые получили именно 1Т-фазу с помощью химического пиллинга объемного кристалла WS2, который вызывает фазовый переход между фазами.
Как показали эксперименты научной группы, WS2 может использоваться для получения водорода с очень низкой степенью перенапряжения, т.е. с низкой разницей начального термодинамического потенциала системы и того термодинамического потенциала, при котором на поверхности данного материала происходит реакция (т.е. с низкой энергией, необходимой системе для начала реакции). Кроме того, оказалось, что 1T-фаза улучшает кинетику реакции (за счет хорошей проводимости).
Таким образом, работа ученых показала направление, в котором может быть улучшена каталитическая активность известных катализаторов в топливных ячейках. Оказалось, что обычная структурная деформация существенно повышает эффект от катализатора. Кроме того, она позволяет ограничиваться небольшим количеством материала при покрытии достаточно большой поверхности ячейки.
В настоящее время команда работает над усовершенствованием своего катализатора. Применявшийся на эксперименте материал в данный момент не достигает расчетных параметров, поскольку не является равномерным, а области сжатия и растяжения в рамках реакции оказываются не активными. Помимо решения этой проблемы, ученые планируют рассмотреть возможность объединения WS2 с другими проводящими материалами, к примеру, графеном или углеродными нанотрубками, чтобы улучшить кинетику реакции.
Подробный отчет о работе опубликован в журнале Nature Materials.
Также по теме:
- Графен позволит эффективно хранить водородное топливо
- Наночастицы кремния позволяют производить чистый водород
- Нанопровода позволяют cоздавать новые солнечно-водородные материалы
- Биоводород теперь можно получать даже в присутствии кислорода
- Топливо из воды. Совершенствование методов.
Источники: