Ученые из Гарварда создали наилучший катализатор для выработки водорода

Водород – абсолютно экологически чистое топливо, которое при горении выделяет только пар, а в топливных элементах он вырабатывает электричество. Сегодня самым известным и наиболее устойчивым способом получения водорода является расщепление молекул воды с использованием возобновляемой энергии – солнечного света. Но до сих пор ученые не научились эффективно контролировать и оптимизировать эту реакцию с катализаторами.

Недавно в Национальном источнике синхротронного излучения (NSLS) исследовательская группа определила ключевую структурную информацию о катализаторе, который имеет огромный потенциал стать идеальным материалом для улучшения эффективности рассматриваемого процесса.

В связи с механической и электрической сложностью реакции расщепления воды, к катализаторам выдвигается достаточно много требований для оптимизации процесса. При разработке нового катализатора ученые должны учитывать не только локальную молекулярную структуру «кандидата», но и его структуру в более широких пределах, которая является хорошим индикатором общей каталитической активности материала.

Группа ученых из Гарвардского и Колумбийского университетов, а также из Брукхейвенской лаборатории сосредоточилась на изучении определенной группы катализаторов – тонких пленок на основе кобальта. Эти пленки создаются с помощью электроосаждения из водных растворов кобальта в смеси с электролитом (фосфатом с отрицательными фосфатно-кислородными ионами, или боратом с отрицательными борно-кислородными ионами). Полученные пленки они назвали CoPi и CoBi соответственно. Для того, чтобы лучше понять различия между наноразмерными структурами этих пленок, ученые использовали рентгеновские лучи.

Результаты по рассеянию рентгеновского излучения от образцов CoPi и CoBi, полученные на пучковом излучателе X7b NSLS, показывают, что оба материала являются нанокристаллическими, т.е. состоят из наноразмерных зерен (1,5 – 3 нм в диаметре), расположенных в упорядоченной молекулярной структуре. Но эти материалы имеют четкие и важные структурные различия между собой, которые, по мнению ученых, и определяют их каталитическую активность. Согласно электрохимическим данным, при увеличении толщины пленок, производительность CoBi-пленок значительно превосходит аналогичные показатели CoPi-пленок. Кроме того, увеличение толщины материала на основе электролита бората способствует увеличению эффективной площади поверхности для катализа, сохраняя при этом характеристики по переносу заряда.