Сейчас много внимания уделяется переходу от традиционных технологий получения и переработки тепла и электричества к водородной энергетике: использование молекулярного водорода выглядит одним из возможных путей рационального, экологически безопасного и устойчивого развития современной энергетики.
Фото: Николай Цыганов, Коммерсантъ
Фото: Николай Цыганов, Коммерсантъ
Водородная энергетика — молодое, но уже конкурентоспособное направление в альтернативной энергетике. Остроту проблемы создания новых (альтернативных) типов носителей электроэнергии понимают во всем мире. Пример — Нобелевская премия по химии в 2019 году за создание литий-ионных аккумуляторов, которые дали толчок технологической революции и заложили основы новой энергетики.
Как получают водород
Водород можно получить двумя основными способами: химическим и электрохимическим (электролизом). Химические способы получения водорода хорошо известны, однако в большинстве случаев он не удовлетворяет критериям чистоты, что негативно сказывается на эффективности работы топливных элементов. Экологически чистый способ получения водорода — электрохимический: разложение воды в присутствии катализатора. Наиболее эффективный катализатор — платина, но ее высокая стоимость сдерживает развитие данного способа. Ведется интенсивный поиск эффективных катализаторов, но реальной замены платине пока не появилось. Катализатор будущего должен быть дешевым, доступным, высокопроизводительным, работать при малых значениях потенциала (низкое потребление электроэнергии).
При создании катализаторов для получения молекулярного водорода исследователи руководствуются стратегией «каталитического скрининга», то есть смотрят на каталитическую активность новых соединений. Формально все электрокаталитические системы можно поделить на две группы: содержащие металлы и безметальные, состоящие главным образом из органических соединений.
Новый подход
Однако при всей привлекательности и перспективности использования безметальных катализаторов в эффективности они уступают платине. Как показано ранее в работах нашей научной группы, «управлять» эффективностью каталитического процесса получения молекулярного водорода в присутствии производных пиридина возможно путем варьирования природы заместителя у атома азота. Альтернативный эффективный механизм, позволяющий также увеличить эффективность электрокаталитического процесса,— объединение в одну молекулу двух или трех пиридинсодержащих фрагментов, соединенных по орто-положению. Такой подход должен привести к возникновению синергетического эффекта в каталитической реакции — образованию молекулярного водорода вследствие возможности изменения механизма процесса: бимолекулярная стадия в механизме реакцией между двумя протонированными частицами, сопровождающейся элиминированием водорода в одной молекуле, «замещается» на мономолекулярную.
Объединение в одной молекуле двух или трех каталитических центров позволит снять кинетическое ограничение, накладываемое на бимолекулярную стадию, поскольку именно бимолекулярная стадия тормозит процесс, ограничивает скорость электрокаталитической реакции получения молекулярного водорода в присутствии производных пиридина.
Данное предложение и легло в основу заявки, поданной на конкурс «Аспиранты» Российского фонда фундаментальных исследований. Исследования будут проводиться на базе Национального исследовательского Мордовского государственного университета.
Научная и приборная база исследования
Для университета это направление новое. Когда начинали им заниматься (в 2015 году), многого не хватало. Параллельно с первыми положительными результатами при большой поддержке руководства вуза было закуплено все необходимое оборудование. По обеспечению приборной базой научная группа катализа — одна из лучших в университете.
Результат не за горами
Основным результатом работы будет разработка безметальных катализаторов на основе органических соединений, эффективность которых будет сопоставима с платиной. Полученные в ходе выполнения проекта результаты носят в первую очередь фундаментальный характер, направленный на выявление основных закономерностей и механизмов протекающих процессов, определение «параметров», ответственных за проявление катализаторами синергетического эффекта. Новая методология в построении безметальных катализаторов находится в начале пути.
Использование дешевых и доступных органических соединений вместо редких и дорогих (платины, палладия) в электрохимических процессах получения водорода является первым шагом к экономически оправданному производству водорода.