Ученые разработали эффективные фотокатализаторы для выделения кислорода из воды

10 августа, 2022 13:02

Источник: Атомная энергия

Группа ученых из Института катализа СО РАН (ИК СО РАН) и Института неорганической химии СО РАН (ИНХ СО РАН) при поддержке Российского научного фонда разработали активный и стабильный фотокатализатор окисления воды на основе оксидов иридия, который позволяет ускорить выделение кислорода из воды. Результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале ACS Applied Materials & Interfaces (IF = 10,383).

Поделиться

Фотокаталитическое разложение воды с образованием водорода и кислорода – актуальная задача получения «зелёного» водорода, экологически чистого топлива.

Основная проблема в процессе расщепления воды — медленная кинетика процесса окисления воды и выделения кислорода. Разработанные стабильные фотокатализаторы на основе оксидов иридия помогают ускорить этот процесс.

«Нам удалось синтезировать стабильный комплекс иридия с нитро- и аква-лигандами, который далее мы использовали для получения композитных фотокатализаторов. Уникальность данного соединения заключается в отсутствии в его составе ионов хлора, которые могут снижать активность катализаторов. Кроме того, из данного соединения легко образуется активная форма иридия – достаточно нагревания при невысокой температуре», — рассказал старший научный сотрудник ИНХ СО РАН, кандидат химических наук Данила Васильченко.

По словам руководителя проекта, заместителя руководителя Центра НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» ИК СО РАН, доктора химических наук, профессора РАН Екатерины Козловой, проведенная работа продолжает сделанные ранее исследования, общая цель которых – разработка катализаторов полного разложения воды.  

«Ранее мы уже получили высокоактивные фотокатализаторы на основе графитоподобного нитрида углерода с нанесенной платиной для выделения водорода. Исследование процесса образования кислорода является продолжением работы, конечная цель которой заключается в разработке катализаторов полного фотокаталитического разложения воды на водород и кислород. В данной работе были получены не только активные, но и стабильные фотокатализаторы получения кислорода с малым содержанием иридия – всего 0,25 %. Еще одно важное преимущество наших фотокатализаторов состоит в способности работать под действием видимого излучения, что открывает перспективы использования энергии солнца для разложения воды», — пояснила Екатерина Козлова.

Уникальность полученного фотокатализатора для выделения кислорода также в его гетерогенности. Обычно катализаторы для выделения кислорода гомогенные, что затрудняет процесс отделения катализатора от реакционной смеси.

Новый катализатор находится в смеси в суспендированном состоянии, что значительно облегчает его отделение и повторное использование.

Один из авторов статьи, студент НГУ, сотрудник ИК СО РАН Николай Сидоренко рассказал о практическом применении результатов исследования.

«Водород из воды получить достаточно легко, но при помощи доноров, то есть добавления, например, органики, в частности, спиртов, – рассказывает Николай. – Разложение же чистой воды на водород и кислород будет сильно удешевлять процесс получения водорода, потому что ничего дополнительно добавлять не нужно. Сначала мы работали над фотокатализатором получения водорода из воды, затем – над эффективным катализатором выделения кислорода, а следующий этап – создание «общего» катализатора для одновременного разложения чистой воды на водород и кислород». 

Ученые планируют получать водород с использованием солнечной энергии путем фотокаталитического разложения чистой воды и затем использовать его, например, в качестве топлива для топливных элементов.

В этом случае получится замкнутый экологически чистый цикл: водород, полученный из воды, будет питать топливные элементы, которые вырабатывают электричество посредством электрохимической реакции между водородом и кислородом с образованием воды.

Теги

Президентская программа, Химия и материалы, Молодежные группы

Окисление воды в процессе фотосинтеза — доклад на конференции

• Автор: Пищальников Р.Ю.
• Международная Конференция (Конгресс) : VII Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине»
• Даты проведения конференции: 7-11 сентября 2015
• Дата доклада: 8 сентября 2015
• Тип доклада: Устный
• Докладчик: Пищальников Роман Юрьевич
• Место проведения: Санкт-Петербург, Россия
• Аннотация доклада:

  Процессы фотосинтеза, происходящие в живой природе, играют фундаментальную роль в преобразовании солнечной энергии в энергию химических связей.

  Главной реакцией фотосинтеза является многоступенчатая реакция окисления воды, в результате которой выделяется молекулярный кислород [1]. Особенности химических процессов фотосинтетического окисления воды у прокариотов и эукариотов были досконально исследованы в прошлом веке. Было показано, что полный цикл окисления воды (цикл Кока) происходит в четыре этапа и локализован в пигмент-белковом комплексе фотосистемы 2. Для эффективного окисления воды фотосистема 2 имеет марганцевый кластер, состоящий непосредственно из четырех атомов марганца, одного атома кальция и пяти молекул кислорода. Наличие рентгеноструктурных данных на сегодняшний день не позволяет однозначно оценить пространственное расположение атомов в кластере, а также распределение ролей в процессе окисления воды. Мы предприняли попытку ab-initio квантово-механического моделирования четырёхтактного процесса окисления воды с учётом спиновых состояний компонентов кластера с целью получения количественных характеристик процесса. Обсуждается возможная роль орто-пара состояний молекул воды на протяжении всего цикла Кока. Произведена оценка характерных времён кинетик водоокисления S-цикла. Работа выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований президиума РАН «Сверхчувствительные сенсоры и гигантское усиление полей оптическими метаматериалами», НШ № 214.2012.2 и гранта РФФИ 14-02-00018И WATER OXIDATION IN PHOTOSYNTESIS R.Y. Pishchalnikov A.M. Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences, E-mail: [email protected] Литература 1. Shevela, D., Pishchainikov, R. Y., Eichacker, L. A., and Govindjee // STRESS BIOLOGY OF CYANOBACTERIA: MOLECULAR MECHANISM TO CELLULAR RESPONSES pp 3-40, CRC Press, USA., 2013

• Добавил в систему: Пищальников Роман Юрьевич

Метод изготовления кислорода из воды в нулевой гравитации повышает надежду на расстояние космических путешествий

• Share на Facebook

• . Поделиться по электронной почте

• Версия для печати

Художественный рендеринг марсохода с искусственной гравитацией. Предоставлено: NASA

Следующее эссе перепечатано с разрешения The Conversation, интернет-издания, посвященного последним исследованиям.

Космические агентства и частные компании уже разработали планы по отправке людей на Марс в ближайшие несколько лет и, в конечном счете, его колонизации. А с растущим числом открытий похожих на Землю планет вокруг ближайших звезд дальние космические путешествия никогда не казались более захватывающими.

Однако людям нелегко выживать в космосе в течение продолжительных периодов времени. Одной из главных проблем дальних космических полетов является транспортировка достаточного количества кислорода для дыхания астронавтов и достаточного количества топлива для питания сложной электроники. К сожалению, в космосе мало кислорода, а большие расстояния затрудняют быстрое восполнение запасов.

Но теперь новое исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что можно производить водород (для топлива) и кислород (для жизни) только из воды, используя полупроводниковый материал и солнечный свет (или звездный свет) в невесомости, что делает устойчивые космические путешествия — реальная возможность.

Использование неограниченных ресурсов солнца для обеспечения энергией нашей повседневной жизни является одной из самых больших проблем на Земле. Поскольку мы медленно уходим от нефти к возобновляемым источникам энергии, исследователей интересует возможность использования водорода в качестве топлива. Лучший способ сделать это — разделить воду (h3O) на составляющие: водород и кислород. Это возможно с помощью процесса, известного как электролиз, который включает пропускание тока через образец воды, содержащий некоторое количество растворимого электролита. Это расщепляет воду на кислород и водород, которые выделяются отдельно на двух электродах.

Хотя этот метод технически возможен, он еще не стал доступным на Земле, поскольку нам нужна дополнительная инфраструктура, связанная с водородом, такая как станции заправки водородом, чтобы масштабировать его.

Солнечная энергия

Водород и кислород, полученные таким образом из воды , также могут использоваться в качестве топлива на космических кораблях. Запуск ракеты с водой на самом деле был бы намного безопаснее, чем запуск с дополнительным ракетным топливом и кислородом на борту, которые могут быть взрывоопасными. Оказавшись в космосе, специальная технология сможет расщепить воду на водород и кислород, которые, в свою очередь, можно будет использовать для поддержания жизни или для питания электроники с помощью топливных элементов.

Это можно сделать двумя способами. Один из них включает электролиз, как мы делаем на Земле, с использованием электролитов и солнечных элементов , чтобы улавливать солнечный свет и преобразовывать его в ток.

Альтернативой является использование «фотокатализаторов», которые работают, поглощая частицы света — фотоны — полупроводниковым материалом, помещенным в воду. Энергия фотона поглощается электроном в материале, который затем прыгает, оставляя после себя дыру. Свободный электрон может реагировать с протонами (которые вместе с нейтронами составляют атомное ядро) в воде с образованием водорода. Между тем, дырка может поглощать электроны из воды с образованием протонов и кислорода.

Процесс также можно отменить. Водород и кислород можно объединить или «рекомбинировать» с помощью топливного элемента, возвращая солнечную энергию, полученную в результате «фотокатализа» — энергию, которую можно использовать для питания электроники. В результате рекомбинации в качестве продукта образуется только вода, а это означает, что вода также может быть использована повторно. Это ключ к дальним космическим путешествиям.

Процесс с использованием фотокатализаторов является оптимальным вариантом для космических полетов, так как вес оборудования намного меньше необходимого для электролиза. По идее должно работать легко. Отчасти это связано с тем, что интенсивность солнечного света намного выше, а атмосфера Земли не поглощает его в больших количествах на пути к поверхности.

Управление пузырьками

В новом исследовании исследователи сбросили полную экспериментальную установку для фотокатализа в 120-метровую вышку, создав среду, подобную микрогравитации. По мере того как объекты ускоряются к Земле в свободном падении, эффект гравитации уменьшается, поскольку силы, действующие под действием гравитации, уравновешиваются равными и противоположными силами из-за ускорения. Это противоположно перегрузкам, которые испытывают космонавты и летчики-истребители, когда они разгоняются в своих самолетах.

Исследователям удалось показать, что в этой среде действительно возможно разделить воду. Однако, когда вода расщепляется с образованием газа, образуются пузырьки. Избавление от пузырьков из когда-то образовавшегося материала катализатора важно, так как пузырьки мешают процессу образования газа. На Земле гравитация заставляет пузырьки автоматически всплывать на поверхность (вода у поверхности плотнее пузырьков, что делает их гибкими), освобождая место на катализаторе для образования следующего пузыря.

В условиях невесомости это невозможно, и пузырек останется на катализаторе или рядом с ним. Однако ученые скорректировали форму наночастиц в катализаторе, создав пирамидальные зоны, в которых пузырек мог легко отделиться от кончика и уплыть в среду.

Но остается одна проблема. В отсутствие гравитации пузырьки останутся в жидкости, даже если они были вытеснены из самого катализатора. Гравитация позволяет газам легко выходить из жидкости, что очень важно для использования чистого водорода и кислорода. Без гравитации никакие пузырьки газа не всплывают на поверхность и не отделяются от смеси — вместо этого весь газ остается для создания пены.

Это резко снижает эффективность процесса из-за блокировки катализаторов или электродов. Инженерные решения этой проблемы будут иметь ключевое значение для успешного внедрения технологий в космосе, причем одной из возможностей будет использование центробежных сил от вращения космического корабля для отделения газов от раствора.

Тем не менее, благодаря этому новому исследованию мы стали на шаг ближе к длительному космическому полету человека.

Первоначально эта статья была опубликована на The Conversation. Прочитайте оригинальную статью.

ОБ АВТОРАХ

Старший преподаватель энергетики Университета Суонси.

Читать далее

Новая технология получения чистого водорода из расщепленной воды

Наука —

Шалини Саксена — 21 сентября 2014 г. 20:00 UTC

В какой-то момент в будущем для заправки автомобиля может потребоваться заправка автомобиля.

Окриджская национальная лаборатория

Непрекращающиеся опасения по поводу глобального потепления стимулировали работу над альтернативными источниками топлива, снижающими выбросы. Водород является привлекательным, экологически чистым топливом. В настоящее время большая часть водорода поступает из переработки ископаемого топлива, при которой в качестве побочного продукта образуется углекислый газ. Однако электролиз воды производит водород без выброса парниковых газов при условии, что электричество, используемое в процессе, поступает из возобновляемых источников энергии.

В настоящее время предпочтительным методом производства водорода является так называемый электролизер с протонообменной мембраной (PEME). В них используется полимерная мембрана, которая позволяет протонам перемещаться между растворами с различным зарядом, разделяя при этом отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод. Поскольку два газа, водород и кислород, производятся на разных электродах, мембраны также разделяют их, что позволяет легко собирать водород.

К сожалению, PEME дороги, потому что они требуют катализаторов из драгоценных металлов. Хотя более высокие энергетические нагрузки в некоторой степени компенсируют стоимость этих катализаторов, эти нагрузки могут привести к одновременному присутствию водорода, кислорода и каталитических частиц, что приводит к образованию активных форм кислорода (АФК), разрушающих мембраны. Нагрузки низкой мощности не так эффективны, потому что скорость производства кислорода и водорода аналогична скорости, с которой эти газы диффундируют через мембрану. В результате вместо чистого водорода вы получаете опасную смесь двух газов.

Недавно исследователи разработали систему, которая ограничивает смешивание газов и более эффективно использует катализаторы из драгоценных металлов. Ученый представил то, что они называют «электронно-связанным протонным буфером» (ECPB), который производит газообразные водород и кислород в отдельных отсеках. Чтобы разделить производство этих газов, они использовали химическое вещество, которое может быть загружено водородом за счет потери двух электронов и приобретения двух протонов на электроде. Позже химическое вещество может быть перенесено в отдельный отсек для окисления за счет присоединения двух электронов, что приводит к самопроизвольному выделению водорода.

Реклама

Этот разделенный подход имеет много преимуществ: он позволяет производить водород при атмосферном давлении с повышенной скоростью, ограничивая при этом производство водорода внутри электролитической ячейки и сводя к минимуму производство кислорода в целом, что снижает деградацию мембраны.

Химический медиатор, который они использовали, называется кремневольфрамовой кислотой (H ₄ [SiW ₁₂ O ₄₀ ]). На аноде вода расщепляется на кислород и протоны; протоны остаются в растворе, где они могут двигаться к катоду. Там электроны и протоны передаются посреднику, который затем может быть перемещен в отдельную камеру, где он окисляется, выделяя газообразный водород.

Загрузка медиатора водородом была протестирована в герметичной электролизной ячейке, содержащей анод из платинового или угольного войлока и угольный катод. Исследователи обнаружили, что восстановленную форму медиатора можно легко перенести в герметичную реакционную колбу, где металлическая фольга может катализировать выделение водорода.

Катализаторы из драгоценных металлов на основе углерода обеспечивают наибольшую скорость производства водорода с Pt / C, что приводит к скорости выделения водорода в 30 раз выше, чем в современных системах на основе мембран.