В Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработан новый класс гетерогенных электрокатализаторов на основе нанолистов нитридов никеля и молибдена. С ними электролиз воды может быть проведён без использования очень дорогих платиновых катализаторов, а его эффективность будет почти такой же.

Отчёт об этом исследовании опубликован 8 мая в журнале Angewandte Chemie — International Edition. Интересно, что, хотя исследователи сознательно получили структуру на базе никель-молибденовых нитридов, они не предвидели эффекта самопроизвольного формирования нанолистов.

Неожиданное формирование при нагреве в аммиаке идентичных нанолистов никель-молибденово-нитридного катализатора резко увеличило его поверхностную площадь, вплотную приблизив по эффективности к платине. (Фото Brookhaven National Laboratory.)

Промышленное производство водорода пока либо далеко от экологичности (конверсия из газа), либо дорого (электролиз воды). В последнем случае способны помочь катализаторы, но и здесь есть немало препятствий. Чтобы катализатор эффективно ускорял химические реакции, он должен обладать одновременно высокой устойчивостью, высокой же каталитической активностью и большой площадью поверхности на единицу веса.

Платина в этом, конечно, идеальна, но вы же знаете, сколько она стоит: около $50 тыс. за кг. А вот за никель, к примеру, просят всего $20 за кило, а за молибден — $32. Проблема никель-молибденовых катализаторов всегда была банальной: электронная плотность в никеле меньше, чем в платине, причём намного. Молибден позволяет дополнительно увеличить скорость электролиза, но, увы, не настолько, чтобы заменить платину.

Исследователи из Брукхейвенской лаборатории решили поработать с азотом. И расчёты оправдались: электронная плотность возросла, не слишком сильно уступая самой платине. Но одновременно возник непредвиденный эффект — к счастью, положительный.

Никель-молибденовый катализатор нагревали в аммиаке, и во время этого процесса была обнаружена — впервые с участием азота — пространственная наноструктура. Двумерные нанолисты исследовались на электронном просвечивающем микроскопе, и оказалось, что они значительно увеличили площадь поверхности катализатора, дополнительно повысив его эффективность.

Процесс производства, определённо, весьма прост и легко масштабируем, что обеспечивает возможность промышленного развёртывания. Помимо получения водорода из воды, исследованные недорогие катализаторы, по словам разработчиков, могут получить широкое применение в новых видах топливных элементов.