«Энергия — это самый важный вопрос нашего времени, и для энергетики решающее значение имеют топливные элементы. А для топливных элементов наиболее важен водород», — говорит Ю Лэй, докторант Пенсильванского университета и первый автор новой статьи. в ACS Nano, описывающей катализатор расщепления воды, который она и ее коллеги теоретически предсказали и синтезировали в лаборатории. «Люди искали хороший катализатор, который мог бы эффективно расщеплять воду на водород и кислород.
Во время этого процесса не будет никаких побочных продуктов, вредных для окружающей среды».Текущий промышленный метод производства водорода — паровой риформинг метана — приводит к выбросу CO2 в атмосферу. В других методах используется отходящее тепло, например, от передовых атомных электростанций или концентрированная солнечная энергия, и оба эти метода сталкиваются с техническими проблемами, чтобы стать коммерчески целесообразными. В другом промышленном процессе платина используется в качестве катализатора для процесса расщепления воды.
Хотя платина — почти идеальный катализатор, она также дорога. Более дешевый катализатор может сделать водород разумной альтернативой ископаемому топливу на транспорте и привести в действие топливные элементы для хранения энергии.«Дисульфид молибдена (MoS2) был предсказан как возможная замена платине, потому что свободная энергия Гиббса для поглощения водорода близка к нулю», — говорит Маурисио Терронес, профессор физики, материаловедения, инженерии и химии в Пенсильвании. Чем ниже свободная энергия Гиббса, тем меньше внешней энергии необходимо приложить для проведения химической реакции.
Однако экспериментально использование MoS2 в качестве катализатора имеет недостатки. В стабильной фазе MoS2 является полупроводником, что ограничивает его способность проводить электроны. Чтобы обойти эту проблему, команда добавила восстановленный оксид графена, высокопроводящую форму углерода. Затем, чтобы еще больше уменьшить свободную энергию, они легировали MoS2 вольфрамом, чтобы создать тонкую пленку с чередующимися слоями графена и дисульфида вольфрама-молибдена.
Добавление вольфрама снижает электрическое напряжение, необходимое для разделения воды наполовину, с 200 милливольт для чистого MoS2 до 96 милливольт для вольфрам-молибденового сплава.В процессе разделения воды используется очень небольшое количество электроэнергии, подаваемой на электрод, погруженный в воду. Используя этот небольшой потенциал, протоны в растворе могут абсорбироваться на поверхности катализатора.
Затем два протона мигрируют вместе, образуя водородный пузырь, который поднимается на поверхность и выделяет водород.С теоретической точки зрения решающую роль играют электронные орбитали.
В случае чистого MoS2 орбитали металла плохо перекрываются с орбиталью водорода на ключевой стадии реакции; однако, когда присутствует сплав, эти орбитали хорошо взаимодействуют и делают реакцию более эффективной. Это похоже на то, что делает платина, и причина того, почему платина так энергоэффективна при этой химической реакции. Однако в этой работе исследователи показали, что можно использовать более дешевые и более распространенные элементы и достичь эффективности, которая превосходит все лучшие катализаторы.«В этих сплавах происходит изящное перекрытие орбиталей, которое делает реакцию более эффективной.
Это не наблюдается в чистых компонентах. Это пример, когда гибрид лучше, чем чистые компоненты», — говорит Хосе Л. Мендоса-Кортес. , профессор химического машиностроения, материаловедения, инженерии и научных вычислений в штате Флорида.
Водородные топливные элементы могут повысить экономию чистой энергии не только в транспортном секторе, где быстрая заправка топливом и запас хода транспортных средств опережают автомобили с батарейным питанием, но и для хранения электроэнергии, производимой с помощью солнечной и ветровой энергии. Эта работа — еще один шаг к достижению этой цели.