Томский политех разработал дешевые электрокатализаторы для производства водорода

Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Китая и Германии разработали электрокатализаторы для производства водорода. Созданные на основе дисульфида молибдена и восстановленного оксида графена, они доступнее и дешевле существующих аналогов. О реализации проекта рассказывают профессора Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Евгения Шеремет и Рауль Родригес.

— Почему вас увлекла водородная тематика?

Рауль Родригес: Я интересуюсь водородом с детства — ​с тех пор, как узнал о возможности использовать его в качестве топлива. Россия, наряду с другими ведущими странами, много инвестирует в развитие эффективных и экологичных методов получения энергии, ищет новые материалы и технологии. Мне повезло стать частью этого процесса в ТПУ.

— Результаты вашей работы опубликованы в Chemical Engineering Journal. Расскажите, что стало предпосылкой для исследований.

Евгения Шеремет: Водород можно получить в результате расщепления воды на составляющие с помощью электрического тока. Для этого процесса нужны специальные катализаторы. Наиболее эффективным является платина. Но ее высокая стоимость препятствует широкому использованию. Поэтому постоянно идет поиск недорогих альтернатив.

— Ваша альтернатива платине — ​дисульфид молибдена, почему именно он?

Р. Р.: Через дисульфид молибдена — ​MoS2 — ​легко проходит электричество, и в отличие от драгоценной платины этот материал широко доступен и относительно дешев. А мы нашли новый способ превратить его в катализатор для производства водорода.

MoS2 имеет слоистую структуру: слои представляют собой очень тонкие пластинки. Химические реакции ускоряют активные центры — ​атомы или группы атомов на краю нанопластинок. При струйной печати нанопластинки не ложатся ровным слоем, а размещаются хаотично, между ними образуются полости. Молекулы воды легко проходят через такую структуру к активным центрам. А добавление к дисульфиду молибдена восстановленного оксида графена улучшает электропроводность катализатора. Как и MoS2, этот материал представляет собой нанопластинки, их легко смешать для создания чернил, которые методом струйной печати наносятся на медный электрод для улучшения электрических свой­ств. Наш новый катализатор отлично показал себя в производстве водорода, а его промышленный выпуск легко реализуется технически.

— Расскажите, как происходит печать катализатора.

Е. Ш.: Мы подготовили чернила, содержащие нанопластины дисульфида молибдена и восстановленного оксида графена и загрузили их в струйный принтер — ​аналогичный офисному, где на подложку наносятся маленькие капли жидких чернил. Принтер запрограммировали так, чтобы чернила распределялись по определенному шаблону на электроде из медной пластины. После сушки получили катализатор, который уже можно тестировать.

— В проекте участвовали ученые из трех стран: Китая, Германии и России. Кто за что отвечал?

Р. Р.: Немецкие коллеги предоставили оборудование для изготовления и определения характеристик образцов, большая часть экспериментов была проведена в Китае. Российская команда занималась анализом материалов, визуализацией результатов, а также помогала с подготовкой и предоставлением данных исследования в научный журнал. Я был одним из ведущих авторов этой работы.

— Можно сказать, что проект близок к реализации? Что происходит сегодня?

Е. Ш.: Понадобятся дополнительные испытания, чтобы определить производительность и стабильность электрокатализатора в разных условиях. Тогда можно будет в полной мере оценить его потенциал для промышленного производства. Конечно, еще предстоит просчитать экономическую эффективность, изучить его воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Кроме того, мы планируем оптимизировать катализаторы с помощью лазерной обработки, сделав их более надежными и экономичными.

— Какие еще материалы можно использовать в качестве катализаторов?

Р. Р.: Мы намерены изучить возможность применения слоистых минералов Томской области для производства водорода. Благодаря сотрудничеству с отделением геологии нашего университета, мы выявили в регионе ряд перспективных полезных ископаемых, которые, благодаря своим химическим свойствам в сочетании с нашими усилиями по созданию наноразмерных составов, могут использоваться для производства водорода и устройств хранения энергии. Пока эти исследования на ранней стадии.

СЕМЕЙНЫЙ ПОДРЯД

Рауль Родригес и Евгения Шеремет — ​супруги. Он из Венесуэлы, она из Новосибирска. Встретились в Германии, где оба занимались наукой. Там поженились, родили сына. В Томском политехе оказались по программе «120 новых имен», целью которой является привлечение в вуз новых профессоров. Ученые хотели создать свою научную группу, и руководство университета предоставило им такую возможность — ​супруги организовали команду TERS-Team, в которую вошли молодые российские и зарубежные ученые. Группа работает в области наноматериалов, результаты ее исследований публикуются в ведущих мировых научных журналах. Например, прошлой весной ученым удалось успешно модифицировать сверхтонкий проводник электричества и тепла — ​графен. Статья о результатах исследования была размещена на страницах престижного журнала по материаловедению Materials Horizons.