Совершенно недавно изыскатели Колледжа инженерии Института штата Орегон и сотрудники Аргоннской национальной лаборатории и Корнельского института придумали, как из водорода изготавливать воду. Благодаря им это производство в скором времени, вероятно, станет массовым. Ученые задействовали экспериментальные передовые инструменты, чтобы получить более ясное представление о каталитическом электрохимическом процессе, который экологичнее и чище, чем переработка природного газа в водород. Более подробно о новом изобретении ученых поговорим ниже.
Что говорит Чжэньсин Фэн
Итоги новой работы изыскателей были обнародованы в журнале Science Advances в 2021 году, 8 января. Известно, что водород находится в составе большого количества земных соединений. Он играет внушительное число промышленных, научных и связанных с энергетикой ролей. Чаще всего встречается в сочетании с кислородом, ввиду чего образуется вода. Также его можно найти в виде углеводородов, соединений, складывающихся из углерода и водорода. Как правило, это метан, базовая составляющая природного газа.
«Создание водорода является важным аспектом нашей жизни, – говорит профессор химического инжиниринга Чжэньсин Фэн из штата Орегон, который руководил изысканием. – Эта субстанция необходима для производства полезных химикатов, таких как аммиак, а также для изготовления топливных элементов для авто. Водород применяется для создания рукотворных материалов, к примеру, пластмассы, при рафинировании металлов и для многих иных целей».
Производство водорода в США
Министерство энергетики сообщило, что в США производится большая часть водорода из метана, источником которого является природный газ. Для этого американские специалисты применяют технологию, известную как паровой риформинг метана. Процесс представляет собой воздействие пара под давлением на метан в присутствии катализатора, в результате чего формуются водород и монооксид углерода, а также немного диоксида углерода.
Следующая стадия именуется реакцией конверсии водяного газа, в которой водяной пар и монооксид углерода реагируют через иной катализатор с образованием диоксида углерода и дополнительного водорода. На завершающем этапе адсорбция при неравномерном давлении, диоксид углерода и иные примеси удаляются, остается чистый водород.
«По сравнению с риформингом природного газа применение электроэнергии из возрождаемых источников для разложения воды на водород чище и экологичнее, – сказал Фэн. – Однако продуктивность расщепления воды низка, в основном ввиду сильного перенапряжения – разницы между теоретическим и фактическим потенциалом электрохимической реакции – единственной базовой полуреакции в процессе реакции выброса кислорода или OER».
Что такое полуреакция
Полуреакция – это либо две части восстановительно-окислительной реакции, либо реакция окисления-восстановления, где электроны перемещаются между двумя реагентами. Окисление означает утрату электронов, а восстановление – их получение.
Доктрина полуреакций часто применяется для обрисовки того, что протекает в электрохимической ячейке. Полуреакции же, как правило, используются в виде способа уравновешивания восстановительно-окислительных реакций.
Перенапряжением именуют разницу между напряжением теоретическим и фактическим, требуемым для электролиза – химической реакции, активируемой приложением электротока. «Электрокатализаторы играют важнейшую роль для ускорения расщепления воды за счет уменьшения перенапряжения. Но разрабатывать продуктивные электрокатализаторы весьма сложно, – говорит Фэн. – Одним из базовых препятствий является нехватка данных об эволюционирующей конструкции электрокатализаторов в момент электрохимических операций. Понимание химического и структурного становления электрокатализатора в период OER весьма важно для создания доброкачественного сырья для электрокатализаторов, а также для обеспечения стабильности энергии».
Процесс исследования
Фэн и его коллеги использовали передовое оборудование, чтобы установить характеристики, необходимые для исследования развития атомной конструкции электрокатализатора в момент OER, иридата стронция (SrIrO 3), в кислотном электролите.
«Мы попытались выяснить причину его внушительной активности для OER, которая в 1000 раз больше, чем у простого рыночного катализатора, оксида иридия, – сообщил Фэн. – Мы применили рентгеновские приборы на основе синхротронов в Аргонне и фотоэлектронную лабораторную рентгеновскую спектроскопию на объекте нанотехнологической Северо-Западной инфраструктуры в OSU. В итоге нам удалось увидеть кристаллическую и поверхностную химическую трансформацию SrIrO 3 в аморфную субстанцию в момент OER».
В процессе наблюдений ученые выяснили, что стоит за отличной работой иридата стронция как катализатора. «Наше открытие в атомной сфере поясняет, как действующий пласт иридата стронция формуется на этом веществе, – сказал Фэн. – Также наше изыскание указывает на критичную роль активизации решеточного кислорода и объединенной ионной диффузии в формовании активных единиц OER».
Фэн также заявил, что новая работа рассказывает о том, как задействованный потенциал влияет на образование аморфных функциональных слоев на электрохимическом рубеже раздела и дает возможность для производства лучших катализаторов.