Исследователи из Сколтеха создали перспективный катализатор для ускорения химической реакции, в результате которой из мочевины, содержащейся в сточных водах, получается чистое водородное топливо. Известно, что этот процесс катализируется различными формами никеля. Однако команда показала, что нанопровода из этого металла, встроенные в специально дефектные углеродные нанотрубки, обработанные азотной плазмой, особенно подходят для выдерживания агрессивной щелочной среды реакции.
Это делает новый катализатор на основе никеля не только эффективным, но и долговечным, что является важным преимуществом для будущих электролизеров, производящих водород экологически чистым способом и одновременно удаляющих мочевину из сточных вод.
Результаты опубликованы в журнале Small.
По словам первого автора исследования Алии Вильдановой, стажёра-исследователя в Лаборатории наноматериалов Сколтех Фотоникс и аспирантки программы Института материаловедения и инженерии, человечество постепенно отказывается от ископаемого топлива, и одним из основных доступных способов хранения чистой энергии является водородное топливо. Существует множество промышленно значимых химических реакций, используемых для производства водорода, и все они зависят от катализаторов. Окисление мочевины — перспективный подход, поскольку он требует меньше энергии, чем другие конкурирующие процессы, и одновременно служит методом очистки сточных вод.
Команда защитила катализатор от агрессивной среды реакции, внедрив никель в одностенные углеродные нанотрубки — цилиндрические наноразмерные образования из атомов углерода. Такого подхода ранее не применяли для этого металла в данной реакции.
Соавтор исследования, доцент Фёдор Фёдоров из Сколтех Фотоникс, заявил, что благородные металлы, такие как платина и палладий, являются наиболее известными катализаторами. Их используют в водородных каталитических реакциях и окислении мочевины. Хотя их эффективность для последних процессов не выдающаяся, никель и оксид никеля демонстрируют лучшие результаты. Однако никель и его оксид подвержены деградации в жёстких условиях, связанных с этими процессами.
Профессор Альберт Насибулин из Сколтех Фотоникс рассказал, что команда подвергла углеродные нанотрубки воздействию азотной плазмы в течение тщательно контролируемого периода времени перед внедрением никеля. Плазма создаёт дефекты в нанотрубках, которые можно представить как отверстия в их стенках.
Дефекты играют две роли: во-первых, они служат входами, позволяя большему количеству никеля проникнуть в нанотрубки, в результате чего получаются более длинные нанопровода и, следовательно, более высокая производительность. Во-вторых, дефекты оказались активными участками катализа. Притягивая реагенты в непосредственную близость к никелевому катализатору, они дополнительно ускоряют реакцию.
Оптимальный режим плазменной обработки, вызывающий все необходимые дефекты, был сначала исследован с помощью молекулярно-динамического моделирования, а затем экспериментально подтверждён исследователями.
Команда сообщает, что их одностенные углеродные нанотрубки, наполненные никелем, демонстрируют хорошую производительность, измеряемую как каталитическая активность на единицу массы, по сравнению с металлическими пенами и другими формами никеля. Новый катализатор явно превосходит другие по долговечности. При тестировании его активность снизилась менее чем на 2% после 1000 циклов работы.
Исследование проведено Сколковским институтом науки и технологий.