Новый катализатор ускорит производство экологичного водородного топлива из мочевины

Исследователи из Сколтеха получили многообещающий катализатор для ускорения химической реакции, в которой из мочевины получается экологичное водородное топливо. Известно, что этот процесс катализируют разные формы никеля. Авторам опубликованного в журнале Small исследования, поддержанного РНФ, удалось упаковать нанопровода из этого металла в углеродные нанотрубки, дополнительно обработанные азотной плазмой. В таком виде никелевый катализатор не только эффективен, но и долговечен, что будет важным преимуществом для производства водорода в электролизёрах.

«По мере постепенного отказа от ископаемых видов топлива актуальным носителем для накопления энергии становится водород. Известно несколько промышленно значимых химических реакций для производства водорода — все они требуют катализаторов. Многообещающий вариант — окисление мочевины: этот процесс меньше других требует энергии и попутно очищает сточные воды, — рассказывает первый автор исследования Алия Вильданова, стажёр-исследователь в Лаборатории наноматериалов Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха, аспирант программы „Науки о материалах“. — Мы оптимизировали материал-катализатор, сделав его менее подверженным разрушению в агрессивной реакционной среде, а значит, более пригодным для использования в промышленных электролизёрах для производства водорода».

Исследователям удалось защитить катализатор от деградации в агрессивной среде, поместив никель в однослойные углеродные нанотрубки — полые цилиндрические структуры, стенки которых сделаны из одноатомного слоя углерода. Такой подход ранее не использовался применительно к никелю в контексте реакции окисления мочевины.

«Наиболее распространены в качестве катализаторов благородные металлы, такие как платина и палладий, в том числе инкорпорированные в нанотрубки — в таком виде они применялись в связанных с водородом каталитических реакциях, среди которых реакция окисления мочевины. Но в последней они показывают не слишком высокую эффективность и уступают никелю и оксиду никеля, — поясняет соавтор исследования, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Фёдор Фёдоров. — Однако никель и оксид никеля как таковые подвержены деградации в суровых условиях этих реакций. Зато при инкорпорировании в однослойные углеродные нанотрубки мы наблюдаем гораздо более положительные результаты — ранее такой подход к катализу реакции окисления мочевины не был описан».

Научный руководитель исследования, профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Альберт Насибулин, отмечает: «Перед внедрением никеля наши однослойные углеродные нанотрубки дополнительно подвергаются обработке азотной плазмой в течение определённого времени. Эта обработка формирует дефекты в нанотрубках, которые служат входными отверстиями, обеспечивая проникновение никеля внутрь. В результате нанопровода внутри трубок удлиняются, что повышает эффективность катализатора. Кроме того, дефекты в нанотрубках играют роль активных центров катализа».

Согласно данным исследователей, их однослойные углеродные нанотрубки, начинённые никелем, демонстрируют более высокую каталитическую активность в пересчёте на единицу массы, чем у никеля в пенометаллической и иных формах. По части долговечности новый катализатор явно имеет преимущество: в испытаниях после тысячи рабочих циклов его активность снизилась менее чем на 2%.