13 February 2023, 19:00 Захар Слуковский

Создан новый нанокатализатор для получения водородного топлива

Российские физики изучили новый катализатор для расщепления воды на кислород и водород. Материал представляет собой монослойный кристаллический полупроводник на основе молибдена, серы, селена и теллура. Компьютерное моделирование установило, что при добавлении в воду катализатора и воздействии на нее солнечным светом выход водорода составит до 67%.

Создан новый нанокатализатор для получения водородного топлива
Вид сверху и сбоку на атомную структуру Януса, изученную авторами статьи

В 1970-х годах японские ученые уже проводили исследования процесса расщепления воды под воздействием солнечного света. Для ускорения реакции тогда использовали полупроводниковые катализаторы на основе диоксидов титана, но они показали низкую эффективность. Гораздо интереснее показались катализаторы на основе дихалькогенидов переходных металлов из-за своей стабильности и разнообразия структур и химических составов. Особенно востребованными для расщепления воды оказались монослои с наноструктурой Януса. Они названы так, потому что верхний и нижний ряды атомов в них состоят из разных элементов, то есть они двулики подобно богу из древнеримской мифологии. Эта особенность монослоев Януса позволяет ускорять реакцию разложения воды при воздействии света.

Физики из Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН (Москва) вместе с коллегами исследовали новый катализатор, где использованы свойства Янус-структур для получения водорода из воды. Ученые взяли соединения на основе серы, молибдена, селена и теллура для проведения компьютерного моделирования фотокалитических реакций в присутствии монослойных кристаллических полупроводников с Янус-структурой. Наиболее перспективным кандидатом для производства солнечного водорода оказался материал на основе соединения SMoTe (где S — сера, Mo — молибден, а Te — теллур). Прогнозируемая эффективность преобразования солнечной энергии в водород составила 54% и 67,1% для нейтральной и кислой сред соответственно, что существенно превышает общепринятый предел для коммерциализации, равный 18%. Другие соединения (SMoSe, SMoO, SeMoO и SeMoTe, O — кислород), использованные авторами статьи в теоретических расчетах, также подходят для выделения водорода из воды с эффективностью выше указанного предела и могут быть использованы в разных средах (либо в нейтральных, либо в кислых в зависимости от химического состава соединения).

Несмотря на то, что работа ученых основана на предсказанных данных, результаты могут быть использованы на практике. Сегодня это особенно актуально, поскольку популярны разработки в области зеленой энергетики, в будущем способной хотя бы частично заменить традиционную на ископаемых источниках энергии и тем самым уменьшить углеродный след человечества. Промышленные компании уже проявляют интерес к более экологичному возобновляемому виду топлива, причем его использование возможно по всей планете, а не только в регионах с большим количеством солнечных дней в году, считают авторы статьи.

«Расщепление воды под воздействием солнечного света представляет практический интерес, поскольку использование полученного таким образом водорода может сократить выбросы парниковых газов, удовлетворить растущий глобальный спрос на энергию, а также решить проблемы, связанные с устойчивым энергоснабжением по всему миру. В своей работе мы показали, что семейство катализаторов, которые мы изучили, содержат новые динамически устойчивые структуры с выдающимися свойствами для практического применения», — рассказывает руководитель проекта Захар Попов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИБХФ РАН.

В работе также приняли участие исследователи Института геологии и минералогии СО РАН (Новосибирск), Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН (Красноярск) и Сибирского федерального университета (Красноярск) и Новосибирского государственного университета (Новосибирск).

Source:  Пресс-служба РНФ

News article profiles

News article organizations

News article publications

Read also

Окисленные формы рутения оказались эффективным «зеленым» катализатором
Более, именно они связывают вещества лигнина и бионефти, при гидрировании которых получаются ценные для химической промышленности продукты
"Green" chemistry
Alternative energy
Catalysis
13 June 2023
Марганцевый катализатор упростит получение и хранение водородного топлива
Ученые создали катализатор на основе марганца для получения водорода из амин-боранов — твердых стабильных органических соединений. Такая реакция позволит использовать амин-бораны в «зеленой» энергетике для хранения и транспортировки водородного топлива. Предложенный катализатор в десятки раз эффективнее высвобождает водород, чем большинство известных комплексов на основе благородных металлов.
"Green" chemistry
"Green" technologies
Catalysis
17 February 2024
Новый фотокатализатор разрушил загрязнителей сточных вод с помощью ультрафиолета
Ученые синтезировали уникальный материал — гибридный фотокатализатор, состоящий из органического и неорганического нанокомпонентов. Под действием видимого и ультрафиолетового света он генерирует свободные радикалы, которые с эффективностью более 90% разрушают органические загрязнители, попадающие в сточные воды от химических производств. Кроме того, новый фотокатализатор в 11 раз быстрее аналогов подавляет рост бактерий Escherichia coli (кишечной палочки) — микроорганизма, активно размножающегося в сточных водах. Полученный материал потенциально может использоваться при очистке сточных вод от токсинов, красителей и других соединений, использующихся в химической промышленности, а также при их обеззараживании от микроорганизмов.
"Green" chemistry
Catalysis
Synthesis
18 November 2023
Органика повысила стабильность катализаторов для водородной энергетики
Они оказались способны ускорять реакцию разложения воды как минимум в течение 1000 циклов при непрерывной работе и были устойчивы даже при температурах 150-200°С.
Alternative energy
Catalysis
Materials Science
New techniques
Synthesis
3 February 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
Ученые Института катализа СО РАН исследуют механизмы действия индий-содержащих цеолитов
Ученые Института катализа СО РАН приступили к исследованию механизмов активации и превращения легких алканов на цеолитах, содержащих индий.
Catalysis
Inorganic chemistry
Organic Chemistry
4 October 2022