Наноструктурований композиційний матеріал, розроблений в UC Santa Cruz, показав вражаючу продуктивність в якості каталізатора для електрохімічного поділу води при виробництві водню. Ефективний, недорогий каталізатор необхідний для реалізації виробництва водню як екологічно чистого палива.
Дослідники, очолювані професором хімії та біохімії в Університеті Санта-Крус Шаовей Чен, досліджували використання наноструктурованих матеріалів на основі вуглецю в якості каталізаторів реакції, яка генерує водень з води. У недавньому дослідженні вони отримали хороші результати, включивши іони рутенію в листоподібну наноструктуру, що складається з нітрида вуглецю. Продуктивність була додатково покращена за рахунок поєднання нітрида вуглецю, легованого рутенієм, з графеном, листовою формою вуглецю, з утворенням прошарковитого композиту.
«Пов'язуюча хімія рутенію з азотом в цих наноструктурованих матеріалах відіграє ключову роль у високих каталітичних характеристиках», - сказав Чень. «Ми також показали, що стабільність каталізатора дуже хороша».
Нові результати були опубліковані в ChemSusChem, провідному журналі, присвяченому стійкій хімії та енергетичним матеріалам, а стаття представлена на обкладинці 10 січня. Перший автор Йі Пен, аспірант лабораторії Ченя, провів дослідження і розробив обкладинку.
Водень вже давно привабливий в якості чистого і відновлюваного палива. Наприклад, водневий паливний елемент, що живить електромобіль, випускає тільки водяний пар. Однак в даний час виробництво водню все ще сильно залежить від викопного палива (в основному з використанням пари для його вилучення з природного газу).
Виявлення недорогого, ефективного способу вилучення водню з води через електроліз стане великим проривом. Електрика з відновлюваних джерел, таких як сонячна енергія та енергія вітру, які можуть бути уривчастими і ненадійними, потім можна легко зберігати і розподіляти у вигляді водневого палива.
В даний час найбільш ефективні каталізатори для електрохімічної реакції, які генерують водень з води, засновані на платині, яка є дефіцитною і дорогою. Вуглецеві матеріали показали, що їх продуктивність не наближається до характеристик каталізаторів на основі платини.
У новому композиційному матеріалі, розробленому лабораторією Чена, іони рутенію, впроваджені в наноефіри нітрида вуглецю, змінюють розподіл електронів у матриці, створюючи більш активні вузли для зв'язування протонів з утворенням водню. Додавання графена до структури ще більше посилює перерозподіл електронів.
«Графен утворює сендвіч-структуру з наносерами з вуглецевого нітриду і призводить до подальшого перерозподілу електронів, що дає нам велику ефективність скорочення протонів», - сказав Чень.
Електрокаталітичні характеристики композиту були порівнянні з електрохімічними характеристиками платинових каталізаторів, повідомляють автори. Однак Чень зазначив, що дослідникам ще належить пройти довгий шлях для досягнення дешевого та ефективного виробництва водню.