3 February 2023, 19:00

Органика повысила стабильность катализаторов для водородной энергетики

Химики усовершенствовали гибридные слоистые соединения дисульфида молибдена — перспективные катализаторы для производства водорода. Исследования показали, что в них каталитически активная форма дисульфида молибдена стала гораздо устойчивее и сохраняет свойства при повышенной температуре. Это поможет улучшить эффективность выделения водорода из воды и будет способствовать продвижению водородной энергетики.

Органика повысила стабильность катализаторов для водородной энергетики
Процесс получения катализатора

Водород — это возобновляемый и чистый источник энергии, который рассматривают как основу перспективных технологических процессов. Наиболее экологичный способ его получения, не вызывающий выделения углекислого газа в атмосферу, — электролиз, то есть разложение молекул воды под действием электрического тока. Для его проведения требуются электрокатализаторы, значительно ускоряющие химические процессы. Лучший из них — достаточно дорогая металлическая платина. В настоящее время в мире идет интенсивный поиск более дешевых альтернатив, и один из самых активных и доступных материалов — дисульфид молибдена MoS2, однако высокую каталитическую активность проявляет только одна из его структурных модификаций. Проблема в том, что даже при нагреве до 80°С, практически неизбежном в промышленных условиях, она переходит в малоактивную. Поэтому ученые ищут способы повышения устойчивости активной формы дисульфида молибдена для улучшения его каталитических свойств.

Ученые из Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова Российской академии наук (Москва) совместно с коллегами из Новосибирского государственного университета и Института катализа имени Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (Новосибирск) приблизились к решению проблемы и показали, что можно существенно увеличить устойчивость нужной структурной модификации, обеспечив присутствие на монослоях материала отрицательного заряда. Кристаллическая решетка MoS2 построена из слоев S-Mo-S трехатомной толщины. Внутри этих слоев атомы молибдена и серы соединены ковалентными химическими связями, а связь самих слоев друг с другом осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий — сил межмолекулярного взаимодействия более слабых, чем химическая связь. Такое строение дает возможность разделять кристаллы MoS2 на отдельные слои, а также получать системы, в которых чередуются слои MoS2 и другие компоненты — наподобие сэндвича. Исследователи так и сделали: встроили между слоями анионов дисульфида молибдена «начинку» из органических катионов, прочно связанных с сульфидными слоями благодаря электростатическим и нековалентным взаимодействиям. Однослойная водная дисперсия MoS2 была получена из LiMoS2, а сборку отслоившихся от LiMoS2 анионов (MoS)x- и органических катионов проводили в жидкой среде при комнатной температуре.

Эксперименты продемонстрировали, что встроенные органические прослойки обеспечивали длительную активность катализатора за счет сохранения нужной структуры. Испытание образцов катализаторов показало почти неизменную активность при разложении воды как минимум в течение 1000 циклов при непрерывной работе. Некоторые образцы были устойчивы даже при температурах 150-200°С. Исследование позволит улучшить эффективность катализа получения водорода.

«Мы надеемся, что данные, полученные в этом исследовании, помогут найти новый подход к дизайну катализаторов на основе MoS2 для производства водорода без выброса углекислого газа», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Голубь, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории рентгеноструктурных исследований ИНЭОС РАН.

Source:  Пресс-служба РНФ

News article publications

Goloveshkin A.S., Lenenko N.D., Buzin M.I., Zaikovskii V.I., Naumkin A.V., Golub A.S.
2023-04-01 citations by CoLab: 4 Abstract
1T-MoS2 shows great promise for hydrogen production due to phenomenal performance in catalyzing hydrogen evolution reaction (HER) from water. However, this phase converts to low-active 2H–MoS2 on superambient heating. A series of MoS2 layered compounds (LCs) with guest organic cations was prepared to reveal the effect of cationic organics on the structure stabilization of 1T-MoS2 and thereby on the catalytic performance of this phase in HER. The results showed that LCs provide significantly higher 1T/2H ratio after heating than non-stabilized 1T phase and some of them exhibit excellent thermal durability in the capacity of HER catalysts. The effect is most pronounced for the organics remaining tightly bound to sulfide sheets in a sulfuric acid electrolyte. Cetyltrimethylammonium and bis(dimethylamino)naphthalene perfectly matched this criterion and provided a long-term maintaining of catalyst activity. The data obtained in this study are hoped to offer new approach for rational design of the efficient non-precious 1T-MoS2-based electrocatalysts for hydrogen production.
Share

Are you a researcher?

Create a profile to get free access to personal recommendations for colleagues and new articles.

Read also

Химики повысили чувствительность сенсоров к сероводороду
Они придумали новый способ, позволяющий при относительно низкой температуре получать наночастицы на основе оксидов олова, бария и лантана, чувствительные к этому ядовитому газу
Inorganic chemistry
Materials Science
New techniques
Sensors
Synthesis
22 April 2023
Новый электрокатализатор превратит угарный газ в этанол
Коллектив китайских и российских ученых разработал простой способ получения стабильного электрокатализатора, способного эффективно (выход — до 93,5%) превращать угарный газ в углеродные продукты, в том числе этанол
Alternative energy
Catalysis
Synthesis
2 February 2023
Новая герметизация позволила солнечным батареям выдержать 1000 часов облучения
Суть предложенного исследователями метода заключается в том, чтобы перед нанесением стандартного герметика сформировать инертный фторидный или оксидный барьер на поверхности устройства с помощью вакуумного напыления
Alternative energy
Materials Science
New techniques
19 December 2022
Новые катализаторы помогут получать топливо для солнечной водородной энергетики
Система показала одно из самых высоких значений фотокаталитической активности среди всех известных аналогов при малом содержании благородного металла, а именно платины.
Alternative energy
Catalysis
Materials Science
18 May 2022
Исследованы свойства нового ферромагнетика
Команда физиков из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ исследовала электронные и магнитные свойства нового соединения Fe2C. Рассчитанные значения обменных взаимодействий и температуры магнитного перехода этого вещества указывают на наличие у этого материала ряда особых свойств. Теоретическое исследование показывает актуальность синтеза указанного вещества, ставя новые задачи перед экспериментаторами и инженерами.
Materials Science
Spintronics
Synthesis
31 January 2024
Катализаторы из винной кислоты повысят оптическую чистоту органических молекул
Ученые создали металлокомплексные катализаторы на основе палладия и органических молекул, содержащих атомы серы и фосфора. Использование этих катализаторов позволяет получать соединения с оптической чистотой до 99%. Оптическая чистота важна при производстве лекарств, витаминов и пестицидов, поскольку она влияет на их биологическую активность.
Catalysis
Organic Chemistry
Synthesis
25 January 2024