Химики создали устойчивый к хлоридной коррозии анод для электролиза воды

Ученые из Китая и США создали электрод, покрытый слоями из сульфида никеля и соединения никеля с железом, с высокой эффективностью разложения морской воды и устойчивостью к хлоридной коррозии. Соединив его с катодом, ученые создали устройство для генерации водородного топлива из морской воды, способное работать более тысячи часов. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Водород считается одним из самых перспективных носителей чистой энергии, так как способен запасать ее в малых объемах (142 мегаджоуля на килограмм, почти в три раза больше, чем бензин) и не образует загрязняющих отходов при использовании.

Наиболее эффективным методом получения водородного топлива по сравнению с конверсией природного газа является электролиз воды (разложение под действием электрического тока). Использование пресной воды в качестве сырья нежелательно для этих целей, так как ее на Земле меньше трех процентов, а обессоливание морской воды весьма дорогостоящий процесс. Поэтому инженеры ищут способы получения водорода напрямую из морской воды.

Основная проблема, возникающая при продолжительном электролизе соленой воды, заключается в том, что хлориды, которые в ней содержатся, взаимодействуют с материалом анода. Сначала они адсорбируются на положительно заряженной поверхности электрода, образуя полианионы, затем хлорид заменяется на гидроксид и материал электрода разрушается. Помимо этого, в щелочной среде хлорид окисляется до гипохлорида легче, чем гидроксид-ион до кислорода. Поэтому последнюю реакцию необходимо катализировать, чтобы не расходовать энергию электролиза на побочные процессы.

Юнь Куан (Yun Kuang) с коллегами из Стэнфордского университета создали и протестировали устойчивый к хлоридной коррозии анод, покрытый проводящим слоем сульфида никеля и слоем катализатора из железа и никеля. Небольшую пористую пластинку из никеля (1×3,5 сантиметра) кипятили в растворе серы в толуоле, а на полученный слой сульфида никеля (NiS_x) путем электрохимического восстановления нанесли каталитический слой интерметаллического соединения железа с никелем (FeNi). Для того, чтобы проверить элеткролитические способности анода, ученые соединили двуслойный анод с катодом и провели электролиз модельных щелочных растворов хлорида натрия и морской воды из залива Сан-Франциско.

Исследователи учли и тот факт, что по мере прохождения электролиза концентрация соли будет увеличиваться, и протестировали систему на растворах с бóльшим содержанием хлорида натрия, чем в морской воде, а также в промышленных условиях (сильнощелочной среде и повышенных температурах). В паре с никелевым катодом, покрытым оксидами никеля и хрома, анод функционировал без видимых разрушений более тысячи часов.

Проанализировав газы после электролиза, авторы исследования не обнаружили следов хлора, что свидетельствует о том, что анод селективно окислял только кислород. Проводящий сульфидный слой обеспечивал наличие анионных групп, которые, как предполагают химики, отталкивали хлорид-ионы, не позволяя им сорбироваться на материале анода и разрушать его. Чистые никелевые пористые пластинки или пластинки только с сульфидным слоем функционировали меньше 20 минут, а никелевый анод, покрытый интерметаллидом железа с никелем продержался 12 часов. Эти эксперименты демонстрируют ключевую роль наличия обоих слоев (NiS_x и FeNi) для того, чтобы анод долгое время не подвергался коррозии. 

Для стабильной работы такой электролитической ячейки в морской воде с плотностью тока 800 миллиампер на квадратный сантиметр оказалось достаточно наложить напряжение в два-три вольта. Такое значение разности потенциалов смогла обеспечить относительно небольшая панель солнечной батареи.

Ранее уже создавали устройства для электролиза, которые работают на энергии солнца. Американские ученые предложили автоматизировать процесс электролиза воды и создали плавучую электролитическую ячейку для генерации водородного топлива со встроенной солнечной батареей.

Алина Кротова