Ученые сделали катализатор для водородной энергетики устойчивее к высоким температурам

Химики усовершенствовали гибридные слоистые соединения дисульфида молибдена — перспективные катализаторы для производства водорода. Исследования показали, что в них каталитически активная форма дисульфида молибдена стала гораздо устойчивее и сохраняет свойства при повышенной температуре. Это поможет улучшить эффективность выделения водорода из воды и будет способствовать продвижению водородной энергетики. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.

Водород — это возобновляемый и чистый источник энергии, который рассматривают как основу перспективных технологических процессов. Наиболее экологичный способ его получения, не вызывающий выделения углекислого газа в атмосферу, — электролиз, то есть разложение молекул воды под действием электрического тока. Для его проведения требуются электрокатализаторы, значительно ускоряющие химические процессы. Лучший из них — достаточно дорогая металлическая платина. В настоящее время в мире идет интенсивный поиск более дешевых альтернатив, и один из самых активных и доступных материалов — дисульфид молибдена MoS₂, однако высокую каталитическую активность проявляет только одна из его структурных модификаций. Проблема в том, что даже при нагреве до 80°С, практически неизбежном в промышленных условиях, она переходит в малоактивную. Поэтому ученые ищут способы повышения устойчивости активной формы дисульфида молибдена для улучшения его каталитических свойств.

Ученые из Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова Российской академии наук (Москва) совместно с коллегами из Новосибирского государственного университета и Института катализа имени Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (Новосибирск) приблизились к решению проблемы и показали, что можно существенно увеличить устойчивость нужной структурной модификации, обеспечив присутствие на монослоях материала отрицательного заряда. Кристаллическая решетка MoS₂ построена из слоев S-Mo-S трехатомной толщины. Внутри этих слоев атомы молибдена и серы соединены ковалентными химическими связями, а связь самих слоев друг с другом осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий — сил межмолекулярного взаимодействия более слабых, чем химическая связь. Такое строение дает возможность разделять кристаллы MoS₂ на отдельные слои, а также получать системы, в которых чередуются слои MoS₂ и другие компоненты — наподобие сэндвича. Исследователи так и сделали: встроили между слоями анионов дисульфида молибдена «начинку» из органических катионов, прочно связанных с сульфидными слоями благодаря электростатическим и нековалентным взаимодействиям. Однослойная водная дисперсия MoS₂ была получена из LiMoS₂, а сборку отслоившихся от LiMoS₂ анионов (MoS)_x- и органических катионов проводили в жидкой среде при комнатной температуре.

Эксперименты продемонстрировали, что встроенные органические прослойки обеспечивали длительную активность катализатора за счет сохранения нужной структуры. Испытание образцов катализаторов показало почти неизменную активность при разложении воды как минимум в течение 1000 циклов при непрерывной работе. Некоторые образцы были устойчивы даже при температурах 150-200°С. Исследование позволит улучшить эффективность катализа получения водорода.

«Мы надеемся, что данные, полученные в этом исследовании, помогут найти новый подход к дизайну катализаторов на основе MoS₂ для производства водорода без выброса углекислого газа», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Голубь, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории рентгеноструктурных исследований ИНЭОС РАН.