Новый катализатор из никелевых нанопроводов повышает эффективность производства водорода

Исследователи из Сколтеха разработали перспективный катализатор для ускорения химической реакции, производящей чистый водород из мочевины, содержащейся в сточных водах. Хотя известно, что этот процесс катализируется различными формами никеля, команда показала, что нанопровода этого металла, внедрённые в специально дефектные углеродные нанотрубки, обработанные азотной плазмой, особенно устойчивы к агрессивной щелочной среде реакции.

Это делает новый никелевый катализатор не только эффективным, но и долговечным, что является важным преимуществом для будущих электролизёров, производящих водород экологически чистым способом, одновременно удаляя мочевину из сточных вод. Результаты исследования опубликованы в журнале Small.

«По мере того как человечество отказывается от ископаемого топлива, одним из основных доступных способов хранения чистой энергии является водородное топливо. Существует несколько промышленно значимых химических реакций, используемых для производства водорода, и все они зависят от катализаторов. Окисление мочевины — многообещающий подход, поскольку оно потребляет меньше энергии, чем другие конкурирующие процессы, и одновременно служит методом очистки сточных вод», — объясняют исследователи.

Первый автор исследования Алия Вильданова, стажёр-исследователь Лаборатории наноматериалов Сколтеха, отметила: «Мы оптимизировали материал катализатора, снизив его деградацию в суровой реакционной среде. В дальнейшем это может быть использовано в электролизёрах, производящих водород».

Команда защитила катализатор от агрессивной среды, внедрив никель в однослойные углеродные нанотрубки — цилиндрические наноразмерные образования атомов углерода. Ранее для этого конкретного металла в данной реакции такой подход не применялся.

«Благородные металлы, такие как платина и палладий, являются наиболее известными катализаторами. Заключённые внутри нанотрубок, они использовались в каталитических реакциях, связанных с водородом, и окислении мочевины. Хотя их эффективность для последних процессов не выдающаяся, никель и оксид никеля демонстрируют наилучшие результаты», — заявил соавтор исследования доцент Фёдор Фёдоров из Сколтеха.

Профессор Альберт Насибулин, главный исследователь проекта, пояснил: «Мы добавили ещё один элемент, подвергнув углеродные нанотрубки воздействию азотной плазмы в течение тщательно контролируемого периода времени перед внедрением никеля. Плазма создаёт дефекты в нанотрубках, которые можно представить как отверстия в их стенках. Эти дефекты играют две роли: во-первых, они служат входами, позволяя большему количеству никеля проникать в нанотрубки, что приводит к образованию более длинных нанопроводов и, следовательно, лучшей производительности. Во-вторых, дефекты работают как активные центры катализа».

Исследователи сообщают, что их однослойные углеродные нанотрубки с никелем демонстрируют хорошую производительность по сравнению с металлическими пеноматериалами и другими формами никеля. Новый катализатор явно превосходит аналоги по долговечности: при тестировании его активность снизилась менее чем на 2% после 1000 рабочих циклов.

ИИ: Это исследование демонстрирует важный шаг в развитии водородной энергетики. Создание стабильного и эффективного катализатора для производства водорода из отходов может значительно удешевить процесс и сделать «зелёный» водород более доступным. Особенно впечатляет устойчивость катализатора — всего 2% деградации после 1000 циклов говорит о его коммерческом потенциале.