- Что за открытие?
- Для электрокаталитических приложений платину, палладий, рутений традиционно модифицируют такими же благородными или неблагородными металлами. Мы же впервые модифицировали палладий углеродом и показали, что в данном случае возрастание его активности не меньше, чем при его модификации дорогостоящим золотом. Это мы обнаружили сразу, когда начали работать в рамках проекта, и сейчас мы развиваем это направление и пытаемся приблизить его к практическому применению.
- Расскажите о методах расщепления воды на водород и кислород, которые используются в вашей работе.
- В чем интерес к водородному топливу? Жидкий метанол, пропанол, этанол по соотношению энергии к весу гораздо более энергоемкие топлива, чем баллон водорода. Если мы возьмем чашку жидкого этанола и такого же объема баллончик водорода под давлением, то выгоднее будет носить с собой чашку спирта, ее на дольше хватит. Но чтобы эффективно электрокаталитически окислить метанол, этанол и другие легкие органические вещества, обычные платиновые и палладиевые катализаторы непригодны, потому что они очень быстро дезактивируются.
Это происходит в связи с тем, что в результате процесса окисления легких спиртов образуются органические загрязнители, которые блокируют поверхность катализатора, топливный элемент становится неэффективным, и чтобы он хоть как-то работал, нужно повышать температуру выше ста градусов, создавать электроды с очень высоким содержанием благородных металлов. В результате мы получаем очень дорогое и непривлекательное для широкого применения устройство.
В случае водорода эта проблема отсутствует, но только если водород будет идеально чистым. Наиболее распространенный метод получения водорода - это реформинг, паровая конверсия органических веществ. Если у нас есть органическое соединение, состоящее из углерода, водорода и кислорода, спирт, например, то при определенных условиях его можно расщепить.
Представьте, у нас есть углерод, кислород и водород, мы извлекаем оттуда водород, остается углерод и кислород. Естественно, после процесса конверсии углеводорода они превратятся либо в СО2 - углекислый газ, либо в СО - моноксид углерода, угарный газ. Последнее соединение чрезвычайно неприятно и в плане воздействия на человека, и в плане электрокатализа.
Если СО2 является безвредным для анодных катализаторов ТЭ, и его можно удалить, то СО полностью удалить весьма сложно, и в неких ничтожных количествах он все равно остается в водородном топливе. А если он присутствует в водороде, который мы подаем на топливный элемент, то он очень быстро покрывает поверхность катализатора, дезактивирует его, и топливный элемент становится абсолютно неэффективным.
Наши палладиевые катализаторы по устойчивости к отравлению угарным газом во многом превосходят классические платиновые системы. Чтобы избежать проблемы отравления анодных катализаторов и исключить дорогостоящие стадии очистки топлива, наиболее перспективно получение изначально чистого водорода. Поэтому очень большой интерес вызывает именно процесс расщепления воды на водород и кислород.
Понятно, в воде нет углерода, и при ее расщеплении не образуются никакие загрязняющие вещества. Водород, полученный из воды, по чистоте может достигать 99.99 %. Но вода очень устойчивое соединение, и согласно законам термодинамики, энергетически гораздо более выгодно водороду с кислородом провзаимодейстовать и образовать воду, чем из воды получать водород и кислород.
Способов получить из воды водород и кислород много. Значительный интерес представляет ферментативный способ. Конечно, процесс не очень эффективный, но любопытный, другой метод - фотокаталитический, то есть расщепление за счет энергии солнца (ультрафиолета). Для этого необходимо поместить в воду и подвергнуть ультрафиолетовому облучению, которое может поступать от солнца. В результате происходит процесс расщепления воды на водород и кислород. Но тут возникает проблема разделения водорода и кислорода, так как их образование пространственно не разделено.
И еще один метод, наиболее мне близкий, электрокаталитический. Его суть заключается в том чтобы заставить работать водородный топливный элемент в обратном направлении - то есть не по пути окисления, а по пути восстановления водорода. Для этого на электроды ТЭ подают электрический ток (то есть теперь он потребляет электричество, а не вырабатывает его).
И чем активнее катализатор, тем более эффективно мы расщепляем воду на водород и кислород. Данный метод позволяет получать абсолютно чистое вещество, так как в топливном элементе процессы выделения водорода и кислорода разделены в пространстве. Такая схема, конечно, вызывает много скепсиса. Сначала мы потратили много энергии на то, чтобы из воды достать водород, а потом возьмем его и начнем точно также окислять. Нелогично. Если б мы могли это сделать без потерь энергии, то мы бы получили вечный двигатель, что невозможно.