Исследователи предложили простой метод получения катализаторов на основе молибдена и вольфрама с добавлением серы и селена, которые показали высокую эффективность при получении водорода из воды при помощи электрического тока. Результаты опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds, сообщила пресс-служба Красноярского научного центра СО РАН.
Водород все чаще рассматривается как альтернатива ископаемому топливу благодаря нулевому углеродному следу. Получать водород можно, разлагая воду при помощи электрического тока. Наиболее эффективными катодными материалами для электролизеров считаются благородные металлы, например платина. Однако их высокая стоимость стимулирует поиск более доступных альтернатив с сопоставимыми каталитическими свойствами.
Команда ученых из России совместно с коллегами из Германии предложила масштабируемый способ синтеза слоистых материалов — сплавов, в которых молибден, сера и селен (MoSSe), а также вольфрам, сера и селен (WSSe) образуют упорядоченные плоскости. Исследователи синтезировали как микронные, так и наноразмерные пластины этих материалов толщиной в одну кристаллическую ячейку.
«Для изготовления слоистых материалов MoSSe и WSSe мы применили простой метод прямого синтеза в ампулах. Для этого молибден или вольфрам, сера и селен смешивались и запаивались в кварцевые ампулы. После этого образцы подвергались многостадийному нагреву по специальному протоколу, в результате чего в слоях формировалось хаотичное распределение атомов серы и селена. В итоге получается "бутерброд" — слой сера/селен, затем слой из атомов молибдена или вольфрама, а потом опять слой сера/селен. Эти "бутерброды" накладываются друг на друга и образуют многослойную структуру катализатора. Преимущество этого метода заключается в его простой реализации и возможности масштабирования для промышленного производства», — рассказал руководитель работы Александр Орешонков, научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского, который входит в состав Красноярского научного центра СО РАН.
Чтобы получить наноразмерные пластины, исследователи помещали синтезированные материалы в органический растворитель и обрабатывали смесь ультразвуком в течение 1–10 часов. Толщина некоторых из образовавшихся пластин оказалась всего в одну кристаллическую ячейку. Кристаллическая ячейка — это наименьшая повторяющаяся единица кристалла. Ее размеры обычно составляют десятые доли или единицы нанометров. Такие тонкие материалы обладают уникальными свойствами, потому что электроны в них ведут себя иначе, чем в объемных материалах.
В новых материалах атомы серы и селена распределены статистически в отдельных атомных слоях, но при этом сохраняется строгая многослойная кристаллическая структура. Возникающие в результате «хаоса» структурные неоднородности способствуют формированию большого числа активных каталитических центров — участков, на которых происходят химические реакции. В результате требуется меньше энергии для протекания реакции разложения воды. Кроме того, уменьшение размера материала способствует увеличению удельной площади его поверхности, реагирующей с веществами. Это приводит к раскрытию большего количества каталитических центров, что делает получение водорода из воды эффективнее. Новые синтезированные материалы могут стать шагом к созданию более эффективных катализаторов для промышленности и экологически чистых технологий.
«Для оценки использования синтезированных составов в качестве электрокатализаторов мы провели серию электрохимических экспериментов. Исследования проводились как на исходных, так и обработанных ультразвуком образцах. В качестве эталонного электрода для сравнения использовалась платина. Исследованные материалы проявили высокую каталитическую активность и стабильные характеристики в реакции выделения водорода», — отметил специалист по электрохимическому расщеплению воды Станислав Евлашин, старший научный сотрудник Центра технологий материалов Сколковского института науки и технологий.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
