Одна из глобальных целей в сфере чистой энергетики — это эффективное производство водорода с привлечением возобновляемых источников энергии. Обычно для этого используется электролиз — разложение воды на водород и кислород с использованием электрической энергии и катализаторов. Проблема состоит в дороговизне катализаторов с использованием благородных металлов. Японцы ближе всех подошли к решению задачи, для чего использовали обычный марганец.

Источник изображения: RIKEN

В последние годы наибольшую популярность приобрёл метод электролиза с протонно-обменной мембраной (PEM). Замена электролита на PEM стабилизирует выработку водорода и ускоряет его производство. Но применение мембран обходится значительно дороже и более хлопотно, поскольку в агрессивной среде мембраны быстро теряют свои свойства. Для продления их срока службы до настоящего времени в оксид марганца добавляли иридий, что резко увеличивало стоимость выработки водорода.

Исследователи из Института RIKEN в Японии взяли обычный марганец и изменили его трёхмерную структуру, что вылилось в создание наиболее эффективного и экологически чистого PEM-электролизёра без использования редких металлов.

Новый катализатор учёные разработали на основе оксида марганца (MnO₂), изменив структуру кристаллической решётки материала таким образом, чтобы она образовывала более прочные связи с атомами кислорода. Улучшенный MnO₂ оказался гораздо более стабильным, чем другие катализаторы на основе неблагородных металлов, и смог поддерживать реакцию с водой гораздо дольше, выработав на 1000 % больше водорода.

Согласно опубликованному в журнале Nature Catalysis исследованию, MnO₂ в 40 раз увеличивает срок службы других недорогих катализаторов. Материал более устойчив к растворению в кислоте и более стабилен во время реакции. В ходе лабораторных испытаний катализатор проработал более 1000 часов при силе тока 200 мА/см², производя в 10 раз больше водорода, чем другие материалы.

Безусловно, это только начало. Предстоит ещё много работы, прежде чем новый материал можно будет использовать в промышленных электролизёрах, но исследователи считают, что их открытие сыграет решающую роль в устойчивом производстве водорода. Будущие модификации структуры марганца могут допустить ещё большее увеличение плотности тока и больший срок службы катализатора, а в долгосрочной перспективе обещают сделать возможным электролиз воды без использования иридия и других редких металлов.

Водород рассматривается как экологически чистая альтернатива ископаемому топливу. Он сгорает без вредных выбросов и может служить аккумулятором для длительного хранения энергии. Только водород способен заменить ископаемое топливо в авиации, судоходстве и тяжёлой промышленности. Проблема в том, что экологически чистый «зелёный» водород добывается с колоссальными затратами электроэнергии, что делает его нерентабельным. Поэтому учёные ищут новые способы его получения.

Источник изображения: University of Adelaide

Австралийские учёные из Университета Аделаиды (University of Adelaide) и Центра передовых исследований и инноваций в области углерода (ARC Centre of Excellence for Carbon Science and Innovation — COE-CSI) для повышения экономической целесообразности электролиза водорода разработали процесс и установку с большей эффективностью, чем позволяют реакции с разложением только воды. Исследователи предложили получать водород из мочевины и усовершенствовали технологию его извлечения из мочи человека и сточных вод. Более того, это также решает проблему загрязнения окружающей среды и снижает выброс вредных веществ.

Был создан электролизёр без дорогих полупроницаемых мембран, с катализатором на основе меди и углеродной подложки. В первых экспериментах использовался раствор чистой мочевины, полученной промышленным способом. Однако для практического применения этот подход непригоден, поскольку сама мочевина производится с большими затратами электроэнергии и сопровождается выбросами углекислого газа. Тем не менее подход оказался успешным — на электролиз водорода из раствора мочевины потребовалось значительно меньше энергии, чем при использовании чистой воды.

На следующем этапе исследователи применили обычную человеческую мочу. Из-за высокого содержания в ней химически активных ионов хлора катализаторы пришлось заменить: в противном случае газообразный хлор разрушал электроды, и установка быстро выходила из строя. Выбор пал на платину — дорогостоящий, но допустимый для экспериментов вариант. Опыты показали, что электролиз водорода из мочи в новых условиях требует на 20–27 % меньше энергии, чем при использовании чистой воды. Учёные намерены найти более дешёвый катализатор и продвинуться к практической реализации технологии.