Новости химической науки > Самый эффективный никельсодержащий электрокатализатор

Исследователи из Тихоокеанской Северо-западной национальной лаборатории (PNNL) разработали никельсодержащий комплекс, отличающийся удвоенной и большей производительностью в электрохимической реакции образования водорода – введение комплекса в систему значительно увеличивает скорость образования водорода, увеличивая эффективность процесса.

Помимо синтеза комплекса и его апробации было обнаружено, что увеличение содержания воды в электрокаталитической системе приводит к существенному увеличению скорости реакции. Результаты исследований позволяют приблизиться к решению вопроса добычи и аккумулирования энергии с помощью экологически чистых технологий.

Руководитель исследования, Юрайя Килгор (Uriah Kilgore) отмечает, что разработанные в его группе катализаторы на настоящий момент предоставляют собой наиболее эффективные электрокатализаторы образования водорода. Он добавляет, что лишь незначительные изменения их строения и введение в электрокаталитическую систему небольших количеств воды позволяет существенно увеличить частоту обращения каталитического цикла.

Необходимость к реконфигурации энергетической системы современного мира требует повышения доли энергии, производимой за счет возобновляемых источников энергии. Поскольку производительность альтернативных источников энергии (солнечная энергия, энергия ветра) зависит от ряда факторов, необходима разработка систем, позволяющих ее запасать. Одним из способов аккумуляции энергии является возможность ее хранения в виде молекулярного водорода, однако для создания таких систем должны выполняться требования, внешне противоречащие друг другу. Так, необходимы системы, способные к быстрому выделению водорода – это необходимо для минимизации потерь энергии, вырабатывающейся, например, турбинами ветряных электростанций, при этом реакция образования водорода должна быть максимально эффективной для максимальной степени конверсии электрической энергии в химическую энергию.

Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 5861

Для запасания химической энергии в форме водорода необходимо, чтобы под действием энергии, полученного за счет эксплуатации альтернативного источника энергии протекала электрокаталитическая химическая реакция с выделением газообразного водорода. Возможность проведения такой реакции на практике ограничивается стоимостью катализатора, который должен обеспечивать высокую частоту обращения каталитического цикла и перенапряжение.

Частоту обращения каталитического цикла представляет собой количество молекул водорода, образующееся в результате каталитической реакции в единицу времени. Перенапряжение – разность между теоретическим и практическим значениями энергии, необходимой для электрохимического восстановления водорода. Весьма часто значительное перенапряжение понижает производительность катализатора – для получения больших количеств водорода требуется непропорционально большее количество энергии. Каталитические системы с низским перенапряжением, напротив, могут обеспечивать лишь медленное образование водорода.

Хорошим катализатором реакций электрохимического восстановления водорода является платина – она обеспечивает высокую частоту обращения каталитического цикла, и характеризуется низким перенапряжением, однако практическое применение платиновых катализаторов ограничивается ее высокой стоимостью. Ключом к созданию эффективных систем запасания энергии, очевидно, является разработка недорогого катализатора, параметры которого соответствовали бы (или превосходили бы) параметры платины.

Исследователи их PNNL достигли существенных успехов в создании катализатора электрохимической реакции получения молекулярного водорода. На первом этапе исследования было обнаружено, что незначительные изменения строения катализатора существенно влияют на скорость образования водорода; на втором этапе было обнаружено, что небольшое количество воды в системе может привести к десятикратному увеличению частоты обращения каталитического цикла.

Источник: J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 5861; DOI: 10.1021/ja109755f

метки статьи: #кинетика и катализ, #неорганическая химия, #физическая химия, #химическая технология, #электрохимия, #элементоорганическая химия