Ученые лаборатории ресурсоэффективных технологий термической переработки биомассы Института экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO) совместно с коллегами из Томского политехнического университета и Института катализа СО РАН разработали подход, позволяющий преобразовывать сельскохозяйственные отходы в нанопорошки карбида кремния, которые можно применять в качестве электрокатализаторов получения водорода.
Получение биоугля / © Пресс-служба ТюмГУ
Карбид кремния (SiC) — это материал с выдающимися свойствами, такими как высокая твердость, низкая плотность, хорошая износостойкость, отличная механическая и химическая стабильность при высоких температурах. По этой причине SiC уже много лет представляет большой научный интерес и применяется в различных областях.
Nano-SiC обладает недостаточной электропроводностью для промышленных применений в топливных элементах. Для преодоления этих ограничений в катализаторы на основе SiC можно добавлять различные углеродные структуры и металлы платиновой группы.
В связи с этим авторы решали научную задачу, состоящую в разработке новых подходов для получения наноструктур SiC и особенно композитов на их основе, пригодных для применения в качестве электрокатализаторов.
Статья «Композитные нанопорошки карбида кремния, полученные из сельскохозяйственных отходов, как эффективные электрокатализаторы для расщепления воды» ученых Дмитрия Никитина, Ивана Шаненкова, Романа Табакаева (X-BIO), Петра Елецкого (ИК СО РАН), Артура Нассырбаева, Юлии Шаненковой, Дастана Рыскулова, Александра Циммермана, Александра Сивкова (ТПУ) вышла в Journal of Cleaner Production (импакт-фактор журнала 11.1, Q1).
Существуют методы, направленные на получение нано-карбида кремния с использованием отходов различных отраслей промышленности, включая электронику, сельское хозяйство и так далее. Многие подходы основаны на использовании различных сельскохозяйственных и биологических отходов для синтеза нано-SiC. Преимущество растительной биомассы в качестве прекурсора состоит в том, что в нем высокое содержание углерода и диоксида кремния (в шелухе, соломе злаковых растений), которые после термической обработки обеспечивают почти идеальный исходный материал для дальнейшего синтеза с использованием плазмы дугового разряда.
Такие растительные продукты — одни из наиболее распространенных, поскольку ежегодно образуются миллионы тонн сельскохозяйственных отходов (почти 7 150 миллионов тонн рисовой шелухи, 5,5 миллионов тонн овсяной шелухи, от восьми до 13,5 миллионов тонн овсяной соломы). Несмотря на локальные применения, например, для производства удобрений и кормов на их основе, большая часть (около 30 процентов от общей массы такого рода отходов) просто захоранивается без дальнейшей переработки.
Неправильная утилизация приводит к гниению уплотненной биомассы и выбросу значительного количества парниковых газов — 16 процентов выбросов приходится на сельскохозяйственный сектор. Термическая переработка отходов может решить проблемы неправильной утилизации и обеспечить получение углеродного остатка с высоким содержанием кремния. Такой материал может служить основой для дальнейшего одностадийного синтеза карбида кремния.
Ученые получили углеродистые остатки (биоугли) из отобранных видов отходов путем окислительной карбонизации в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора глубокого окисления при температуре 460 градусов. И в дальнейшем плазмодинамическим методом они синтезировали наноразмерный композитный материал на основе карбида кремния.
Такой подход позволяет формировать нанокомпозит со структурой SiC/C, который можно рассматривать в качестве эффективного сокатализатора для реакции расщепления воды при последующем незначительном модифицировании ионами платины. Показано, что добавление платины в количестве не более пяти массового процента обеспечивает электрокаталитическую производительность, сравнимую с коммерческим образцом платины, и высокую стабильность даже после 1500 рабочих циклов. Помимо этого, ученые отмечают, что рассматриваемый подход — практически CO2-нейтральный, благодаря преимуществам двух примененных методов.
