Никель-медные покрытия микротрубок помогут эффективнее выделять водород и кислород из воды

Химики синтезировали новые электрокатализаторы на базе никеля, меди и углеродного волокна. Материал может служить для эффективного получения из воды чистого кислорода в медицинских целях и водорода для энергетики. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.

Изображение микротрубки, полученное методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Источник: Dmitriev et al. / Int. J. Hydrog. Energy, 2023.

Переход к возобновляемой водородной энергетике тесно связан с тем, что нужно разрабатывать способы получения «зеленого» водорода из источников с нулевым углеродным следом, то есть без выбросов парниковых газов. Кроме того, многие сферы, особенно промышленная и медицинская, испытывают нехватку чистого кислорода. Он используется для аппаратов искусственной вентиляции легких, получения чистой питьевой воды, производства металлов и стекла и прочего.

И водород, и кислород (еще и без выделения углекислого газа) можно синтезировать с помощью электролиза воды – ее разложения под действием электрического тока. Для этого превращения требуются электрокатализаторы, значительно ускоряющие процесс. В последнее время в качестве их основы используются металлы подгруппы железа (железо, никель, кобальт) или их композиты с благородными металлами, серебром или медью. Распространен композит никель-медь – и все благодаря низкой стоимости металлов, простоте синтеза и хорошо известным свойствам. Проблема в том, что использование подобных материалов в их нынешнем виде не настолько эффективно, как того хотелось бы. Это происходит из-за слишком большого размера получаемых частиц металлов. Решением может стать поиск нового подхода к синтезу таких катализаторов.

Дмитрий Дмитриев и Артем Лобинский в лаборатории. Источник: Максим Теневич.

Ученые Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук (Санкт-Петербург) разработали новые электрокатализаторы: углеродные микротрубки покрыли композитами на основе никеля (Ni) и меди (Cu). Покрытия были синтезированы методом электроосаждения из комплексных аммоний-сульфосалициловых электролитов, то есть содержащих органические лиганды, которые сложнее по структуре, чем обычно применяемые в подобных задачах. Электроосаждение – это выделение металла на поверхности электрода в результате протекания электрохимической реакции.

Процесс электроосаждения композитного покрытия на углеродные микротрубки. Источник: Дмитрий Дмитриев.

Авторам удалось создать очень тонкие покрытия с наночастицами металлов: толщина трубок составила примерно 1,2 нм в случае системы Ni-углерод и около 0,5 нм в случае Ni-Cu-углерод. Образцы исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии, рентгеновских и электрохимических методов. Так, благодаря переходу от использования простого метода синтеза к сложному, получилось увеличить площадь электрохимически активной поверхности материалов: с 265 до 1400 см² для никелевого и до 780 см² для никель-медного катализаторов соответственно. Это позволит выделять водород более эффективно, а использование углеродного волокна в качестве подложки сделает производство материала более дешевым, экологически чистым и с меньшим расходом металлов.

Дмитрий Дмитриев. Источник: Максим Теневич.

«Мы добились улучшения электрокаталитических свойств как за счет уменьшения размера кристаллитов, так и за счет присутствия добавки меди. Она улучшает электропроводность и снижает общую энергию связи металл-водород, что ослабляет диффузионные ограничения реакции. Синтезированный материал может служить для эффективного синтеза водорода и кислорода в различных областях: от изготовления “зеленого” топлива или выделения чистых металлов из руды до получения чистого кислорода в медицинских и технологических сферах», – отмечает автор исследования и исполнитель проекта, поддержанного РНФ, Дмитрий Дмитриев, кандидат химических наук, научный сотрудник Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН.

Дальнейшие планы авторов – оптимизировать синтез по основным параметрам, а именно составу электролита и скорости электроосаждения. Ученые надеются перейти от эффективной, но все же не очень экологичной сульфосалициловой кислоты в качестве лиганда к более безопасным лимонной и винной. Также планируется синтезировать другие полиметаллические системы: кобальт-медь, кобальт-серебро, медь-молибден и прочие.

Изображение микротрубки, полученное методом сканирующей электронной микроскопии. Источник: Dmitriev et al. / Int. J. Hydrog. Energy, 2023.

«Наши исследования лежат в области экологичных и ресурсоемких синтезов, снижающих загрязнения на этапе производства материала. Это увеличивает эффективность и пользу от получаемых водорода и кислорода. Данное исследование является одним из цикла публикаций, посвященных использованию углеродных материалов в качестве подложек для синтеза полиметаллических электрокатализаторов различных химических процессов», – подводит итог Дмитрий Дмитриев.

Источник: пресс-служба РНФ.