Ученые представили перспективный катализатор, полученный из возобновляемого растительного сырья, который демонстрирует значительный потенциал для ускорения производства чистого водорода. Этот материал создается путем встраивания наночастиц оксида никеля и оксида железа в углеродные волокна, полученные из лигнина. Такая структура улучшает как эффективность, так и долговечность в процессе реакции выделения кислорода – ключевого этапа электролиза воды.
Исследование, опубликованное в журнале Biochar X, сообщает, что разработанный катализатор достигает низкого перенапряжения в 250 мВ при плотности тока 10 мА/см² и сохраняет высокую стабильность более 50 часов при работе с повышенной плотностью тока. Такие показатели производительности указывают на жизнеспособную и недорогую альтернативу катализаторам из драгоценных металлов, которые обычно используются в крупномасштабном электролизе воды.
«Выделение кислорода является одним из главных препятствий на пути к эффективному производству водорода, – отмечает автор-корреспондент Янлинь Цинь из Гуандунского технологического университета. – Наша работа показывает, что катализатор, изготовленный из лигнина – малоценного побочного продукта целлюлозно-бумажной и биоперерабатывающей промышленности, может обеспечить высокую активность и исключительную долговечность. Это открывает более экологичный и экономичный путь к крупномасштабному производству водорода».
Команда исследователей превратила лигнин, один из самых распространенных природных полимеров, который часто сжигается с минимальным выходом энергии, в углеродные волокна с использованием электроформования и термической обработки. Эти волокна служат проводящим и поддерживающим каркасом для частиц оксидов металлов. Полученный катализатор, известный как NiO/Fe3O4@LCFs, содержит азотом-легированные углеродные волокна, обеспечивающие быструю транспортировку заряда, высокую удельную поверхность и прочную структурную стабильность.
Микроскопическое исследование показало, что оксиды никеля и железа образуют наноразмерный гетеропереход внутри структуры углеродного волокна. Этот интерфейс играет центральную роль в реакции выделения кислорода, помогая промежуточным молекулам связываться и отсоединяться с оптимальными скоростями. Сочетание этих оксидов металлов с проводящей углеродной сетью улучшает движение электронов и предотвращает слипание частиц, что является частой проблемой в обычных катализаторах на основе неблагородных металлов.
Электрохимические измерения продемонстрировали, что новый материал превосходит катализаторы, содержащие только один металл, особенно в условиях высоких токов, необходимых для реальных систем электролиза. Катализатор также имеет наклон Тафеля в 138 мВ на декаду, что указывает на более быструю кинетику реакции. Дополнительные данные, полученные с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света in situ и расчетов по теории функционала плотности, подтверждают предложенный механизм, подтверждая, что разработанный интерфейс эффективно стимулирует выделение кислорода.
«Нашей целью было разработать катализатор, который не только хорошо работает, но и масштабируем, и основан на устойчивых материалах, – комментирует соавтор-корреспондент Сюэцин Цю. – Поскольку лигнин производится в огромных количествах по всему миру, этот подход предлагает реалистичный путь к более экологичным промышленным технологиям производства водорода».
Эти выводы подчеркивают растущую ценность материалов, полученных из биомассы, в приложениях преобразования энергии. Сочетание возобновляемых углеродных носителей с тщательно разработанными интерфейсами оксидов металлов согласуется с глобальными усилиями по созданию недорогих и экологически чистых энергетических технологий. Исследователи отмечают, что этот метод может быть адаптирован к различным комбинациям металлов и каталитическим реакциям, открывая новые возможности для проектирования электрокатализаторов следующего поколения на основе обильных природных ресурсов.
