Вчені з США і Китаю розробили систему електролізу, в якій на аноді і катоді виділявся водень. При цьому протікало дві реакції: окислення природного альдегіду і відновлення води. Така система дозволила отримувати водень при низькій напрузі в ланцюгу і невеликому споживанні енергії. Дослідження опубліковано в журналі.
95 відсотків всього виробленого водню отримують риформингом викопного палива - дешевим, але шкідливим для навколишнього середовища процесом. Як альтернативу вчені довгий час пропонують електроліз води, проте через високу напругу, необхідну для протікання реакції окислення, отримувати водень електролізом виявляється занадто дорого.
Ще одна проблема, через яку електроліз води важко застосовувати в промисловості, полягає в наступному: в результаті реакції на аноді виділяється водень, а на катоді - кисень, які разом дають дуже вибухонебезпечну суміш. Через це доводиться розділяти анодний і катодний простори, а також ретельно контролювати склад одержуваного газу. Крім того, радикальні частинки, що утворюються в процесі, можуть руйнувати мембрани електролізера.
Хіміки під керівництвом Дуаня Сянфеня (Duan Xiangfeng) з Каліфорнійського університету вирішили розробити метод електролітичного отримання водню з дешевого органічного вихідного і води. При цьому їх метою було провести електроліз при низькій напрузі і без виділення побічних газоподібних продуктів.
Хімікам було відомо, що альдегіди можна електрохімічно окисляти до карбонових кислот у присутності металевих каталізаторів, при цьому на поверхні металу адсорбуються атоми водню, які потім окисляються з утворенням води. Виходячи з цього, автори статті припустили, що можна провести процес, при якому адсорбовані атоми водню будуть об'єднуватися з утворенням молекулярного водню, а не окислюватися.
Для дослідження реакції окислення хіміки вибрали альдегід гідроксиметилфурфураль - він зустрічається в природі і легко виходить з цукрів. А в якості каталізатора вчені вирішили використовувати металеву мідь з великою площею поверхні, яку вони попередньо отримували електрохімічним відновленням оксиду міді Cu2O. Вченим вдалося встановити, що при проведенні реакції анодного окислення струм в ланцюгу виникає вже при напрузі в 0,05 Вольт, а потім підвищується, досягаючи максимуму близько 0,4 Вольт. Мас-спектрометричний аналіз показав, що продукти реакції - газоподібний водень і відповідна карбонова кислота.
Щоб отримати ще більше водню, хіміки спробували об'єднати процес окислення альдегіду на аноді і реакцію виділення водню з води на катоді. Як анод вони використовували металеву мідь, а як катод вибрали платину на вугіллі. Реакція почалася вже при напрузі менше 0,1 Вольта, а щільність струму досягла 100 міліампер на квадратний сантиметр при напрузі 0,27 Вольта.
В результаті хімікам вдалося розробити ефективний процес отримання водню. Розрахований вихід по струму склав 100 відсотків і для анодного, і для катодного процесу (тобто на кожен минулий через ланцюг електрон виділялася одна молекула водню). При однаковій щільності струму новий процес дозволив отримувати в два рази більше водню, ніж класичний електроліз води, а споживання енергії виявилося менше приблизно в 14 разів.
Щоб реакція виділення водню з води протікала швидше, хіміки використовують дорогі платинові каталізатори. Але нещодавно їм вдалося застосувати для цієї мети дешевші золото-родієві наночастинки. Про незвичайну роль золота в цьому процесі ми розповідали кілька місяців тому.