Химики Орегонского университета добились значительных успехов в усилении каталитической реакции диссоциации воды в электрохимических реакторах, называемых биполярными мембранными электролизерами. Это поможет более эффективно разрывать молекулы воды на положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные гидроксидные ионы.
Открытие, опубликованное в интернете перед печатью в журнале Science, обеспечивает план для реализации электрохимических устройств, которые извлекают выгоду из ключевого свойства работы биполярных мембран — генерировать протоны и гидроксидные ионы внутри устройства и переносить ионы непосредственно к электродам для получения конечных химических продуктов.
Технология биполярных мембран, представляющих собой слоистые ионообменные полимеры, содержащие слой катализатора, способствующего диссоциации воды, появилась в 1950-х гг. Хотя они и применялись промышленно в небольших масштабах, в настоящее время их производительность позволяет работать только с низкой плотностью тока. Это затрудняет более широкое применение.
«Среди них — устройства для получения газообразного водорода из воды и электричества, улавливания углекислого газа из морской воды и производства углеродного топлива непосредственно из углекислого газа», — сказал один из авторов открытия Шеннон У.Боэтчер, профессор кафедры химии и биохимии UO и директор-основатель Орегонского центра электрохимии.
«Я подозреваю, что наши результаты ускорят улучшения в разработке биполярных мембранных устройств и исследованиях основ реакции диссоциации воды», — сказал Боэтчер, который также является членом института материаловедения и сотрудником кампуса UO Phil and Penny Knight для ускорения научного воздействия.
«Производительность, которую мы продемонстрировали, достаточно высока», — заявил он. «Если мы сможем улучшить долговечность и производить биполярные мембраны с нашими промышленными партнерами, то последует важное немедленное применение».
«Как правило, электрохимические устройства на водной основе, такие, как батареи, топливные элементы и электролизеры, работают при одном рН во всей системе. То есть, система является либо кислой, либо основной», — сказал ведущий автор исследования Себастьян З.Оэнер, аспирант, стипендиат Немецкого исследовательского фонда в лаборатории Боэтчера.
«Часто это приводит либо к использованию дорогих драгоценных металлов для катализа электродных реакций, таких, как иридий, один из самых редких металлов на земле, либо к потере активности катализатора. Это в свою очередь увеличивает требуемую энергетическую нагрузку электрохимического реактора», — сказал Оэнер. «Биполярная мембрана может преодолеть этот компромисс, работая с каждым электрокатализатором локально в его идеальной среде рН. Это увеличивает дыхание стабильного, богатого землей катализатора, доступного для каждой полуреакции».
Команда из трех человек: Оэнера, Боэтчера и аспиранта Марка Дж.Фостера — использовала мембранно-электродный узел, в котором полимерная биполярная мембрана сжимается между двумя жесткими пористыми электродами. Такой подход позволил им создать большое количество биполярных мембран с различными слоями катализатора диссоциации воды и точно измерить активность для каждой из них.
Команда обнаружила, что точное положение каждого слоя катализатора внутри биполярного мембранного перехода — границы раздела между гидроксидпроводящим слоем и протонпроводящим слоем в биполярной мембране — резко влияет на активность катализатора. Это позволило им использовать бислои катализатора для реализации рекордно эффективных биполярных мембран, которые диссоциируют воду с незначительными потерями дополнительной энергии.
«Самым большим сюрпризом было осознание того, что производительность может быть существенно улучшена путем наложения различных типов катализаторов друг на друга», — заявил Боэтчер. «Это просто, но еще не до конца изучено».
Второе ключевое открытие, как утверждает Оэнер, заключается в том, что реакция диссоциации воды, происходящая внутри биполярной мембраны, фундаментально связана с той, которая происходит на поверхностях электрокатализатора. Например, когда протоны извлекаются непосредственно из молекул воды при создании водородного топлива в основных условиях рН.
«Это уникально, потому что раньше не было возможности выделить отдельные шаги, которые происходят во время электрохимической реакции», — сказал Оэнер. «Все они связаны, включая электроны и промежуточные соединения, и быстро идут последовательно. Биполярная мембранная архитектура позволяет нам изолировать химическую стадию диссоциации воды и изучать ее».
Это открытие, по его словам, также может привести к усовершенствованию электрокатализаторов для реакций, которые производят восстановленное топливо из воды, например, делают газообразный водород или жидкое топливо из отработанного углекислого газа.
Эти открытия, сказал Боэтчер, дают предварительную механистическую модель, которая может открыть направление и мотивировать многие другие исследования.
«Мы рады видеть ответ научного сообщества и посмотреть, можно ли перевести эти результаты на продукты, которые уменьшают зависимость общества от ископаемого топлива», — сказал профессор.
Перевод: Надя Огаркова.
Редактура: Мария Беликова.
Дизайн: Алина Петрухина.