Российские ученые получили новые эффективные электрокатализаторы реакции выделения водорода, которые не содержат производные серы, известные как «каталитические яды». Полученные соединения с инкапсулированными ионами широко распространенных биометаллов — кобальта и железа — являются химически-устойчивыми моноатомными катализаторами, то есть в них достигается максимальная эффективность использования металла, что соответствует принципам «экономии атомов». Соединения перспективны для электрокаталитического получения высокочистого «зеленого» водорода, который можно будет использовать в водородной и атомной энергетике, высокотехнологическом транспорте и передовой химической технологии. Результаты работы, поддержанной Российским научным фондом, опубликованы в журнале Process Safety and Environmental Protection, сообщает пресс-служба Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН на агрегаторе научной информации InScience.Pro.
Рост населения во всем мире и соответствующий спрос на энергию вызывают высокую потребность в возобновляемых, чистых и устойчивых источниках энергии, таких как высокочистый молекулярный водород. Он рассматривается как «зеленое» топливо и важный реагент для современной химической промышленности и может быть получен из воды как одного из самых распространенных на Земле соединений. Таким образом, вода является перспективным возобновляемым и экологически чистым ресурсом для генерации энергии и/или производства химических реагентов. Электролиз воды в электролизерах с полимерной электролитной мембраной является эффективной технологией для получения высокочистого водорода. Использование инновационных электрокатализаторов редокс-процесса 2Н+/Н2 позволяет ускорить глобальный переход к углеродно-нейтральной энергетике, частично решая таким образом проблемы декарбонизации и загрязнения окружающей среды.
В настоящее время благородные металлы платиновой группы, такие как платина, палладий, иридий, рутений и родий, широко используются в качестве электрокатализаторов для получения водорода путем электролиза кислых водных растворов. Однако массовое применение этих редких и дорогостоящих металлов в водородной энергетике, инновационных технологических процессах, современных отраслях промышленности и экологически чистом транспорте приводит к увеличению их потребления. Высокая стоимость и низкая распространенность в природе металлов платиновой группы также ограничивают практическое использование соответствующих устройств и технологий. Переход к более распространенным соединениям неплатиновых металлов в полупромышленных электролизерах воды, топливных элементах и электрохимических водородных компрессорах/концентраторах позволит сделать эти процессы и устройства, основанные на использовании высокочистого водорода, более доступными.
Авторы работы предложили использовать вместо металлов платиновой группы так называемые клеточные комплексы (клатрохелаты) с инкапсулированными ионами железа и кобальта. В частности, впервые были получены безсерные макробициклические соединения этого типа.
«Было установлено, что синтезированные нами клеточные комплексы являются моноатомными электрокатализаторами реакции выделения водорода в гомогенных растворах. Они хорошо адсорбируются на активированном угле и восстановленном оксиде графена — практически важных углеродных катодных материалах с высокой площадью поверхности и большим объемом микропор. Полученные нанесенные одноатомные металлокомплексные электрокатализаторы могут быть использованы вместо частиц платиновых металлов для высокоэффективного получения высокочистого водорода. Гибридные органо-неорганические каталитические системы с иммобилизованными моноатомными клатрохелатными электрокатализаторами имеют существенно увеличенную поверхностную концентрацию электрокаталитически-активных инкапсулированных металлоцентров. Мы установили, что электрохимически-генерированные восстановленные клеточные комплексы кобальта являются каталитически активными и устойчивыми интермедиатами, наиболее перспективными для их практического использования. Немаловажно и то, что новые одноатомные электрокатализаторы были получены в соответствии с основными принципами "зеленой химии". Они являются производными распространенных и дешевых биометаллов — железа и кобальта, малотоксичны и обеспечивают максимально высокую эффективность использования каталитической активности атомов этих металлов», — прокомментировал заведующий Лабораторией нанобиоматериалов и биоэффекторов для тераностики социально-значимых заболеваний ИОНХ РАН, профессор Ян Волошин.
На следующем этапе исследований полученные инновационные гибридные органо-неорганические каталитические материалы будут протестированы в полупромышленных электролизерах воды.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
