Инженеры научат старые химикаты новым трюкам, чтобы производить более чистое топливо и удобрения

Ученые двух континентов разработали эффективный и экологичный катализатор для получения молекулярного водорода.

Последний широко используется в современной промышленности для производства удобрений и очистки сырой нефти для получения бензина.

Хотя водород — элемент достаточно распространенный, в виде чистого газообразного H2 обнаружить его сложно: чаще он связан с кислородом в воде (H2O) или с углеродом в метане (CH4), первичном компоненте природного газа. В настоящее время промышленный водород вырабатывается из природного газа в ходе процесса, который расходует много энергии и выделяет углерод в атмосферу, способствуя глобальной эмиссии углерода.

В статье в издании Nature Chemistry эксперты по нанотехнологиям пояснили, как выделить водород из воды в промышленном масштабе в ходе электролиза.

В процессе электролиза электрический ток проходит через металлический электрод, погруженный в воду. Поток электронов вызывает химическую реакцию, которая разрушает связи между атомами водорода и кислорода. Электрод служит катализатором, то есть материалом, способным стимулировать одну реакцию за другой и не расходоваться. Для электролиза лучшим катализатором считается платина. Если бы не ее стоимость, сегодня платину вполне могли бы использовать для получения водорода из воды.

Но деньги имеют значение. В мире ежегодно потребляется около 55 млрд килограммов водорода. Сегодня производство килограмма водорода из метана стоит порядка 1-2 долларов. Любой альтернативный процесс, даже если он более экологичен, должен стать еще дешевле, что исключает электролиз на основе платины.

В статье исследователи описали, как им удалось перепроектировать атомную структуру дешевого и распространенного промышленного материала для того, чтобы сделать его почти столь же эффективным в электролизе, как платина. Открытие обладает потенциалом для кардинального изменения выработки промышленного водорода.

Знакомьтесь: сернистый молибден

Со времен Второй мировой войны инженеры используют сернистый молибден для очистки нефти.

До сих пор это химическое вещество не считалось хорошим катализатором для производства водорода из воды в ходе электролиза. И ученые в итоге поняли, почему так: у традиционного сернистого молибдена оказалась неподходящая атомная структура на поверхности.

Как правило, каждый атом серы на поверхности кристалла сернистого молибдена связан с тремя атомами молибдена под ним. По сложным причинам, включая особенности атомных связей водорода, конфигурация атомов сернистого молибдена не способствует электролизу.

В 2004 году профессор Йенс Норсков из Стэнфорда, а впоследствии из Технического университета Дании, совершил важное открытие. Вокруг границ кристалла несколько атомов серы связаны всего с двумя атомами молибдена. На данных граничных участках, которые характеризуются двойными, а не тройными связями, сернистый молибден оказался намного эффективней в процессе выработки H2.

Благодаря этим знаниям был найден 30-летний рецепт получения форм сернистого молибдена с большим количеством двусвязной серы на краях.

С помощью простой химии ученый синтезировал нанокластеры этого специфического сернистого молибдена. Затем нанокластеры были нанесены на лист графита, который, как известно, проводит электрический ток. Вместе графит и сернистый молибден сформировали дешевый электрод. Ему и предстояло стать альтернативой платине — эффективному, но дорогому катализатору для электролиза.

Встал следующий вопрос: сможет ли этот сложный электрод эффективно стимулировать химическую реакцию, которая перестраивает атомы кислорода и водорода в воде?

По словам исследователей, химия — это все о том, куда направятся электроны, а катализ — о том, как заставить эти электроды двигаться, чтобы они формировали и разрушали химические связи.

Испытание на кислотность

Экспериментаторы решили провести испытание своей системы на кислотность. Для этого они погрузили свой сложный электрод в слегка окисленную воду, что означает наличие в ней позитивно заряженных ионов водорода. Эти позитивные ионы были притянуты к кластерам сернистого молибдена. Их двусвязная форма наделила кластеры подходящими атомными свойствами для передачи электронов из графитного проводника к положительным ионам. Эта передача превращает положительные ионы в нейтральный молекулярный водород, который выделяется в виде газа.

Наиболее важно то, что экспериментаторы установили, что их дешевый катализатор из сернистого молибдена обладает потенциалом для высвобождения водорода из воды на чем-то таком, что достигает эффективности системы на основе предельно дорогой платины.

Можно ли масштабировать процесс?

В области химических технологий успех в мензурке — лишь начало пути. Значительно важней понять, можно ли данную технологию масштабировать, чтобы получать 55 млрд килограммов в год, чтобы покрыть глобальные потребности в водороде, и какова будет стоимость за килограмм.

В прошлом году ученые исследовали четыре схемы промышленного производства и опубликовали результаты в издании Energy and Environmental Science.

Тогда авторы исследования пришли к заключению, что возможно получать водород в промышленных масштабах в результате электролиза по стоимости в диапазоне 1,6-10,4 доллара за килограмм, что сравнимо с текущими методами на основе метана, однако некоторые предположения ученых были основаны на новых промышленных проектах и материалах.

«Чтобы решить эту задачу, предстоит сделать многое», заключили ученые. „Как бы то ни было, процесс перехода от углеродных ресурсов к возобновимым технологиям производства химических веществ возместит затраты“.