Исследователи разработали катализатор для производства кислорода из воды

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали совершенно новый тип каталитического материала, который они называли гидроксидно-органическим каркасом металла (MHOF). Этот катализатор состоит из недорогих и распространённых материалов. Инженеры могут точно настраивать структуру и состав этого катализатора в зависимости от потребностей конкретного химического процесса. Как сообщается, материал может соответствовать или превосходить параметры обычно используемых, более дорогих катализаторов.

news.mit.edu

Результаты своего исследования ученые опубликовали в журнале Nature Materials. В этой работе принимали участие сотрудники Массачусетского технологического института: Шуай Юань, Цзяо Пэн, Ян Шао-Хорн, Юрий Роман-Лешков и еще девять человек. Процессы электрохимического производства топлива, химикатов и материалов включают в себя производство водорода в качестве побочного продукта. Его можно использовать в качестве топлива или подвергать химическим реакциям для производства других видов топлива для транспорта. Кроме того, он является компонентом для производства аммиака или другого химического сырья.

Шао-Хорн говорит, что без посторонней помощи и стимуляции процесса реакции протекают слабо. Поэтому нужно пожертвовать напряжением или энергией, чтобы увеличить скорость реакции. Поскольку требуются затраты дополнительной энергии, эффективность процесса низкая. Поэтому применяют катализаторы, которые позволяют снизить энергозатраты. Но эти катализаторы дорогие и редкие. Например, оксид иридия. Поэтому исследователи прилагают большие усилия чтобы найти альтернативы, имеющие аналогичные свойства с точки зрения стабильности и активности, говорит Роман-Лешков. По словам исследователей, им удалось найти материалы, которые обеспечивают именно такие характеристики.

По словам Романа-Лешкова, другие исследовательские группы изучали с использование гидроксидов металлов. Например, гидроксидов железа или никеля. Однако такие материалы сложно адаптировать к конкретным реакциям. Он считает, что их работа интересна, прежде всего, тем, что они не нашли возможности для адаптирования свойств катализатора посредством уникального наноструктурирования этих гидроксидов металлов.

Исследователи позаимствовали результаты, полученные на родственном классе соединений. Это металлоорганические каркасы (MOF), которые представляют собой кристаллическую структуру, состоящую из узлов оксида металла, связанных с молекулами органического линкера. Команда ученых обнаружила, что при замене оксида металла в этих материалах гидроксидами определенных металлов, стало возможным создавать настраиваемые материалы, имеющие необходимую стабильность. Они имеют хороший потенциал для использования в качестве катализаторов.

Роман-Лешков поясняет, что цепочки этих органических линкеров они кладут рядом друг с другом. В результате они направляют образование листов гидроксида металла, которые взаимосвязаны с этими органическими линкерами. В результате они складываются и имеют высокую стабильность. Как говорят учёные, такой подход имеет много плюсов. Например, это контроль наноструктурных узоров, электронных свойств металла, а также обеспечение большей стабильности. Полученные таким способом катализаторы могут выдерживать более длительные периоды использования. Шао-Хорн сказал, что при тестировании этих материалов они обнаружили хорошую производительность катализаторов. Она сравнима с современными оксидами материалами, которые катализируют реакции выделения кислорода.

По словам учёных, материалы, состоящие в основном из никеля и железа, должны быть примерно в 100 раз дешевле, чем современные дорогостоящие катализаторы из редких материалов. Однако пока команда ещё не проводила полного экономического анализа. Семейство новых материалов предлагает новое пространство для настройки активных центров для катализа расщепления воды с целью производства водорода с уменьшенным потреблением энергии. Шао-Хорн говорит, что их разработка позволит удовлетворить точные потребности любого конкретного химического процесса, где требуются такие катализаторы.

Цзяо Пэн считает, что новые материалы смогут обеспечить в разы большую гибкость, чем имеющиеся катализаторы на основе никеля. Для этого нужно просто заменить никель в этом соединении другими металлами. Потенциально это может предложить много соответствующих направлений работы для будущих открытий. Учёные говорят, что материалы также можно изготовить в виде очень тонких листов, а затем нанести их на другой материал, чтобы дополнительно снизить материальные затраты на такие катализаторы.

До сих пор материалы тестировались в небольших лабораторных устройствах. Сейчас команда специалистов из Массачусетского технологического института планирует масштабировать этот процесс до коммерческих значимых масштабов. На это может потребоваться несколько лет. Однако, по словам Шао-Хорна, данная идея имеет большой потенциал. Это позволит снизить стоимость водорода, получаемого в промышленных масштабах. Кроме того, на эту технологию не будет влиять ограничение, связанное с использованием драгоценных металлов.

В группу исследователей, помимо сотрудников Массачусетского технологического института, вошли специалисты из Стокгольмского университета в Швеции, Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Института физики ионного пучка и исследований материалов в Дрездене (Германия). Работа была поддержана Исследовательским институтом Toyota.