Легко производимый материал, разработанный в лаборатории химика Джеймса Тура Райс, предлагает надежный и эффективный способ хранения химической энергии. Испытания показали, что тонкий катализатор производит большие пузырьки кислорода и водорода одновременно с обеих сторон.Этот процесс является предметом статьи в журнале «Applied Materials and Interfaces» Американского химического общества.
«В настоящее время водород получают путем преобразования природного газа в смесь диоксида углерода и газообразного водорода», — сказал Тур. "Таким образом, из каждых двух молекул водорода образуется молекула углекислого газа, что делает этот традиционный процесс источником парникового газа.«Но если разделить воду на водород и кислород, используя каталитическую систему и электричество, генерируемое за счет энергии ветра или солнца, то полученный водород будет полностью возобновляемым», — сказал он. «После использования в топливном элементе он снова превращается в воду без каких-либо других выбросов. А топливные элементы часто вдвое эффективнее двигателей внутреннего сгорания, что еще больше способствует экономии энергии».Катализатор — еще одно применение для универсального лазерно-индуцированного графена (LIG), который Райс представил в 2014 году.
LIG получают путем обработки поверхности листа полиимида, недорогого пластика, лазером. LIG представляет собой не плоский лист из гексагональных атомов углерода, а пену из листов графена с одним краем, прикрепленным к подстилающей поверхности, и химически активными краями, открытыми для воздуха.
Сам LIG инертен, поэтому превращение его в разделитель воды требует еще нескольких шагов. Сначала в лаборатории пропитали сторону пластика, предназначенную для извлечения водорода из воды, частицами платины; затем лаборатория использовала лазер для нагрева поверхности и получения LIG.
По словам Джибо Чжана, аспиранта Райса и ведущего автора статьи, в материале из риса используется только четверть платины, содержащейся в коммерческих катализаторах.Другая сторона, для выделения кислорода, сначала была превращена в LIG, а затем усилена никелем и железом посредством электрохимического осаждения. Обе стороны показали низкие начальные потенциалы (напряжение, необходимое для начала реакции) и высокие показатели в течение 1000 циклов.
Лаборатория придумала еще один вариант: превратить полиимид в катализатор LIG с кобальтом и фосфором, который может заменить либо платину, либо никель-железо для получения водорода или кислорода. По словам Тура, несмотря на то, что дешевый материал выгоден за счет устранения дорогостоящих благородных металлов, он приносит в жертву некоторую эффективность производства водорода.
В конфигурации с кобальт-фосфором для выделения водорода и никель-железом для кислорода катализатор обеспечивал плотность тока 10 миллиампер на квадратный сантиметр при 1,66 вольт. Его можно увеличить до 400 миллиампер на квадратный сантиметр при напряжении 1,9 вольт без ухудшения качества материала. Плотность тока определяет скорость химической реакции.Тур сказал, что улучшенный LIG предлагает характеристики водоразделения, которые сравнимы и часто лучше, чем у многих существующих систем, с преимуществом в присущем ему сепараторе между кислородом и водородными продуктами.
Он отметил, что это может иметь большую ценность как способ химического хранения энергии удаленных солнечных или ветряных электростанций, которая в противном случае была бы потеряна при передаче.По его словам, этот материал может также служить основой для эффективных платформ электрокатализа для восстановления двуокиси углерода или кислорода.