Генерация топлива из воды и новая эра экологичной энергетики

28 сентября 2023, 16:02 [ «Аргументы Недели» ]

Разработка ученых Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ потенциально может найти применение в производстве экологически чистого топлива и накопления энергии. Кроме того, технология может значительно повысить эффективность расщепления воды, способствуя переходу к устойчивой энергетике.

Злободневным вопросом современного мира является поиск новых энергетических технологий, которые не принесут ущерб климату, будут полезны для экономики и эффективны по мере того, как растет спрос на возобновляемые и экологически чистые источники энергии. Одними из успешных видов подобных технологий являются катализаторы – вещества или материалы, которые ускоряют электрохимические реакции. Они используются для улучшения процессов водородного (выделение водорода) и кислородного (восстановление кислорода) электролиза, а также для улучшения работы топливных элементов и аккумуляторных батарей.

На сегодняшний день наиболее эффективными электрокатализаторами для восстановления кислорода и выделения водорода являются платина и ее производные. Тем не менее эти благородные материалы чрезвычайно дороги, они не обеспечивают защиту от химических веществ, окисляющих топливо, и не обеспечивают долговременную эксплуатационную надежность. В связи с этим ученые Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ под руководством ведущего научного сотрудника «Научно-исследовательской лаборатории технологии функциональных наноматериалов» Татьяны Мясоедовой создали новый материал, который может помочь более эффективно генерировать водород и кислород из воды – сульфид меди-молибдена (CuMoS). При этом электрод, состоящий из сульфидов меди и молибдена микростержневой структуры на пеноникеле, может быть использован в качестве активного и надежного бифункционального электрокатализатора для расщепления воды.

Специалисты отмечают, что данная работа – реализация идеи старшего научного сотрудника ИНЭП ЮФУ, участника программы постдоков ЮФУ в рамках Программы развития «Приоритет-2030»(нацпроект «Наука и университеты») Раджатсинга Калисулингам. Уже год молодой ученый совместно с коллективом Южного федерального университета трудится в нашем университете над темой разработки слоистых двойных гидроксидов и композитов на их основе для целей энергетики. Результаты исследования опубликованы в журнале «Chemistry Europe».

«За последние несколько десятилетий были исследованы различные катализаторы на основе переходных металлов для электрохимического применения, разложения загрязняющих веществ и, особенно, расщепления воды. Ионы меди являются основными среди этих металлов из-за их хорошей проводимости, высокой стабильности, доступности и низкой стоимости. Исследования других ученых показали, что MoS2 с кристаллической фазой 1Т способен достигать хороших каталитических характеристик без какого-либо окисления на активных краях. Поэтому основной задачей исследования было целенаправленно синтезировать CuMoS с более высокой электронной проводимостью, стабильностью, долговечностью», – рассказала Татьяна Мясоедова.

Генерация топлива из воды и новая эра экологичной энергетики

По словам ученой, существуют аналогичные материалы и катализаторы, но преимущество микростержней CuMoS, синтезированных в ЮФУ, заключается в их эффективной бифункциональности. Они обладают высокой активностью для генерации как водорода, так и кислорода, что снижает общие затраты энергии, необходимые для расщепления воды, по сравнению с использованием катализаторов для каждой реакции.

«Практическая значимость наших результатов заключается в потенциале производства экологически чистого водорода и накопления энергии. Эта технология могла бы значительно повысить эффективность расщепления воды, способствуя переходу к устойчивой энергетике», – отметила ученая.

Исследование включало синтез материалов с помощью простого гидротермального метода, электрохимические испытания и методы определения структурных характеристик. По словам ученых, такие методы, как рентгеновская дифракция, электронная микроскопия и электрохимический анализ, сыграли решающую роль в характеристике материала и его электрокаталитических свойствах.

Специалисты также отмечают, что в будущем перед коллективом стоит задача оптимизации процесса синтеза микростержней CuMoS, расширение масштабов производства и тестирование материала в реальных условиях.