Ученые считают водород перспективным источником «чистой энергии». Когда его используют в качестве топлива, единственным продуктом реакции оказывается вода. При этом сам водород также можно получать из воды с помощью электролиза: под действием электрического тока молекулы воды расщепляются на водород и кислород.
Однако у этого метода есть недостатки. Пресная вода — ресурс ограниченный. Исследователи предлагают заменять ее морской водой, которой на планете намного больше.
Сейчас перед электролизом воду опресняют, но это делает процесс дороже и сложнее. Решением может стать прямой электролиз морской воды, но у практического применения этого метода есть ограничения, в том числе коррозионное воздействие хлорид-ионов (Cl⁻).
Однако ученые из Южно-Китайского технологического университета (Китай) показали, что небольшие количества хлорид-ионов могут не только вредить, но и приносить пользу. Они запускают перестройку структуры катализатора, повышая его эффективность. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Распад воды на кислород и водород — процесс относительно медленный. Чтобы его ускорить, используют катализаторы.
Китайские исследователи разработали катализатор NiFe-MOF-S. Он состоит из наночастиц дисульфида никеля (NiS₂), нанесенных на нанолисты NiFe-MOF (металл-органический каркас на основе никеля и железа). Разработка позволила точнее регулировать расположение хлорид-ионов относительно активных участков катализатора.
Ученые протестировали работу катализатора NiFe-MOF-S в щелочной морской воде. Обычную морскую воду ощелачили, добавив гидроксид калия. Чтобы достичь плотности тока 500 миллиампер на квадратный сантиметр, потребовалось всего 213 милливольт дополнительного напряжения. Для сравнения, в обычном одномолярном растворе гидроксида калия показатель составил 268 милливольт.
Катализатор оказался не только эффективным, но и долговечным. Он непрерывно проработал более 7000 часов в щелочной морской воде с плотностью тока один ампер на квадратный сантиметр, при этом перенапряжение увеличивалось лишь на 1,4 микровольта в час.
Авторы научной работы также испытали электролизер с новым катализатором в условиях, близких к промышленным. Электролизер стабильно проработал более 1500 часов.