Ученые разработали высокоэффективный катализатор для производства водорода, использовав лигнин — распространенный побочный продукт бумажной отрасли и биопереработки.
Новый катализатор создан из возобновляемых растительных ресурсов. Он обладает высоким потенциалом для увеличения эффективности производства экологически чистого водорода. Как сообщается, катализатор формируется путем внедрения наночастиц оксида никеля и оксида железа в углеродные волокна, синтезированные из лигнина.
Катализатор имеет низкое перенапряжение — всего 250 мВ при нагрузке 10 мА/см², оставаясь активным более 50 часов при увеличении плотности тока. Это делает его конкурентоспособной и доступной альтернативой традиционным катализаторам на основе драгоценных металлов, которые широко применяются в промышленных процессах разделения воды.
«Одной из ключевых задач в эффективном производстве водорода является выделение кислорода. Наш катализатор, созданный из лигнина — недорогого побочного продукта лесной промышленности, демонстрирует отличные рабочие характеристики и высокую стабильность, что приблизает нас к экологически чистому и экономически целесообразному массовому производству водорода», — отмечает ведущий автор исследования Яньлинь Цинь из Гуандунского технологического университета.
Лигнин, один из наиболее распространенных природных полимеров, обычно сжигается с низкой энергоэффективностью. Исследователи извлекли из лигнина углеродные волокна с помощью электроформовки и последующего нагрева, создав основу для размещения частиц оксидов металлов. Итоговый продукт включает легированные азотом углеродные волокна, что способствует быстрому распределению заряда, увеличению активной площади и механической прочности.
Анализ с использованием электронного микроскопа показал образование наноструктур оксидов никеля и железа внутри углеродных волокон. Эта гетероструктура облегчает присоединение и удаление промежуточных молекул, играя ключевую роль в реакции выделения кислорода. Сочетание металлических оксидов с проводящими углеродными волокнами увеличивает электронную проводимость и предотвращает агрегацию частиц, что часто наблюдается в стандартных катализаторах на основе неблагородных металлов.
Испытания подтвердили, что катализатор превосходит традиционные однокомпонентные металлические аналоги, особенно при высоких плотностях тока, которые встречаются в процессе электролиза. Угол наклона кривой Тафеля составляет 138 мВ на декаду, что указывает на высокую скорость химической реакции.
Результаты исследования подчеркивают возрастающее значение биомассовых материалов в энергетике. Объединяя природные углеродные компоненты с точно сконструированными поверхностями металлоксидов, разработчики добились соответствия международным стандартам, предъявляемым к экономически эффективным и экологически чистым решениям в области энергетики будущего.
Тем временем российские специалисты научились управлять коллективным колебанием электронов.
Фото: hi-tech.mail.ru