Водород можно использовать в качестве чистого топлива в топливных элементах, которые производят энергию с водой и теплом в качестве единственных побочных продуктов. В качестве топлива с нулевым уровнем выбросов водород может быть рекомбинирован с кислородом для производства электроэнергии по запросу, например, на борту транспортного средства на топливных элементах.
Команда Ливермора и сотрудники из Университета Райса и Государственного университета Сан-Диего обратились к электричеству, чтобы производить чистое водородное топливо путем расщепления молекул воды, которые состоят из атомов кислорода и водорода. Исследователи открыли новый класс дешевых и эффективных катализаторов, облегчающих процесс расщепления воды.
Исследование появилось в выпуске журнала Nature Energy от 31 июля.«Водородный газ имеет огромный потенциал в качестве источника устойчивого топлива, потому что он не генерирует выбросов углерода», — сказал ведущий автор исследования Лоуренса Ливермора Брэндон Вуд. «Его можно производить из нескольких источников, но святой Грааль — сделать его из воды». Вуд также является ведущим исследователем в Консорциуме по передовым материалам для расщепления воды HydroGEN при Департаменте энергетики Министерства энергетики США (EERE), узле сети энергетических материалов, специализирующемся на производстве водорода из воды.Извлечение водорода из воды с помощью электричества — довольно простой процесс, но он неэффективен и обычно требует много энергии.
Эффективность можно повысить, используя катализаторы, которые часто изготавливают из дорогих драгоценных металлов, таких как платина.Команда Лоуренса Ливермора стремилась найти более дешевый способ эффективного расщепления молекул воды.Чтобы решить эту проблему, Вуд и ведущий автор Юаньюэ Лю, летний стажер в Ливерморе, обратились к классу катализаторов на основе дихалькогенидов переходных металлов (MX2), которые вызвали большой интерес для расщепления воды. Проблема с материалами MX2, которые используются в настоящее время (на основе молибдена и вольфрама), заключается в том, что активны только открытые края катализаторов.
Вместо этого Вуд, Лю и его коллеги использовали квантово-механические расчеты, чтобы выявить основные электронные факторы, которые сделают все поверхности материалов MX2 активными для катализа. Эти «дескрипторы» затем использовались для компьютерной проверки кандидатов MX2, которые могли бы стать лучшими катализаторами расщепления воды.Исследователи из Университета Райса экспериментально подтвердили расчеты, синтезировав и протестировав два из предложенных материалов: дисульфид тантала и дисульфид ниобия. Помимо подтверждения того, что поверхности материалов были активными по отношению к расщеплению воды, они обнаружили, что материалы обладают необычной способностью оптимизировать свою форму по мере выделения газообразного водорода.
Это позволило материалам достичь еще лучших характеристик.«Самооптимизирующееся поведение и поверхностная активность означают, что высокая производительность может быть достигнута при минимальной загрузке катализатора», — сказал Вуд. «Это огромное преимущество для масштабируемой обработки, поскольку нет необходимости обращаться к дорогостоящим методам, таким как наноструктурирование. Наша работа открывает двери для использования этого типа катализатора, и наш теоретический дескриптор должен упростить оценку активности расщепления воды в аналогичных классах. слоистых материалов ».