Ученые Института катализа СО РАН и Института неорганической химии СО РАН при поддержке Российского научного фонда создали на основе графитоподобного нитрида углерода фотокатализаторы для получения водорода под действием видимого света. Их преимущество состоит в ультрамалом содержании драгоценных металлов — даже одна сотая процента платины позволяет значительно повысить каталитическую активность. Результаты исследования опубликованыexternal link, opens in a new tab в журнале Chemical Engineering Journal (импакт-фактор 13,273).
Ученые отмечают, что полученные результаты послужат научной основой для создания прототипов эффективных устройств для получения водорода под действием солнечного света. То есть, фактически, разрабатываемый подход может рассматриваться в будущем как основа для развития солнечно-водородной энергетики.
Новизна исследования состоит как в самом методе синтеза, так и в способе нанесения платины на носитель.
«Мы применили предварительную обработку исходных реагентов и получили носитель фотокатализатора — графитоподобный нитрид углерода с высокой удельной поверхностью. Платину мы осаждали из нитратокомплексов. Это прецизионный метод осаждения, который позволяет получить высокоактивные материалы с очень малой массовой долей платины. Мы стартовали с одной сотой процента платины и показали, что при данном методе даже такая низкая доля активного компонента позволяет значительно увеличить фотокаталитическую активность», — рассказала автор исследования, ведущий научный сотрудник Института катализа СО РАН, д.х.н., профессор РАН Екатерина Козлова.
Автор исследования Екатерина КозловаТакже ученые обратили внимание на интересный факт: во время осаждения комплексов платины и восстановления их водородом структура носителя частично выжигается, из-за чего образуются новые поры. Удельная поверхность материала возрастает практически в пять раз, за счет чего увеличивается активность фотокатализатора.
«Мы достигли не только очень высокой активности, но и роста удельной поверхности носителя — 290 квадратных метров на грамм, а это очень много для графитоподобного нитрида углерода. Обычными методами можно получить максимум 20–30 квадратных метров на грамм. То есть мы предложили метод, который одновременно позволяет наносить платину и увеличивать поверхность графитоподобного нитрида углерода in situ при нанесении», — пояснила Екатерина Козлова.
Помимо катализатора ученые создали прототип небольшого реактора для получения водорода под действием видимого света. Лабораторные тесты показали работоспособность реактора для топливного элемента мощностью в 1 Вт. Масштабировать реактор планируется в рамках проекта Центра компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики»external link, opens in a new tab, созданного на базе Института катализа СО РАН в конце 2021 года. Проект, в частности, предполагает создание уже в 2023 году укрупненных реакторов и развитие интегрированной системы — реактор для выделения водорода плюс водородный топливный элемент.
По словам ученого, в перспективе полномасштабный водородно-топливный процессор, который будет питать водородный топливный элемент, сможет обеспечивать электроэнергией отдаленные районы, где интенсивно светит солнце. Для этого потребуется только солнечный свет и реактор.
Ученые продолжают работать в рамках проекта РНФexternal link, opens in a new tab.
«Сейчас мы получили активные фотокатализаторы, которые позволяют получать водород из водных растворов органических веществ, а конечной целью проекта РНФ на ближайшие два года является получение катализаторов, которые будут работать в процессе полного фотокаталитического разложения воды на водород и кислород», — добавила Екатерина Козлова.