Бактерии помогли получить катализатор для электролиза воды

Китайские химики получили электроды для электролиза воды с помощью сульфатредуцирующих бактерий. Бактерии покрывают поверхность электрода сульфидом железа, который затем облегчает адсорбцию кислород-содержащих частиц. Полученные электроды показывают низкое значение анодного перенапряжение в 220 милливольт, а сам процесс их получения очень прост — его можно будет легко адаптировать для промышленности. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Один из наиболее экологичных способов получения водородного топлива — электролиз воды. Чтобы тратить на этот процесс меньше энергии, ученые покрывают поверхность электродов разными катализаторами. Для анода (на нем при электролизе выделяется кислород) очень эффективными оказались железно-никелевые катализаторы, которые дополнительно модифицируют разными анионными частицами: гидроксильными и сульфидными. Материалы для таких катализаторов стоят дешево, но процесс их синтеза пока что достаточно сложен: ученые используют методы гидротермального нанесения и электроосаждения.

Китайские химики под руководством Бао Юй Ся (Bao Yu Xia) из Хуачжунского университета наук и технологий попробовали модифицировать поверхность электродов с помощью сульфатредуцирующих бактерий. Известно, что коррозия стали в присутствии таких бактерий приводит к образованию сульфидов и оксогидроксидов железа — тех самых соединений, которые эффективно работают на поверхности электродов.

Процесс коррозии, который использовали Ся и его коллеги, очень прост. Никелевую пластину сначала обрабатывали соляной кислотой, для того, чтобы очистить никель от оксидной пленки, а затем помещали в щелочной раствор, в котором также содержался сульфат железа и сульфаторедуцирующие бактерии. Раствор выдерживали в бескислородной атмосфере при температуре 37 градусов в течение нескольких дней. За это время бактерии восстанавливали находящиеся в растворе сульфат-ионы до сульфида ионов, которые затем соединялись с железом и оседали на поверхности электрода. Авторы пробовали разную концентрацию бактерий а также разное время коррозии от 3 до 17 дней, оптимальным оказался промежуток в 10 дней.

Рамановская спектросокпия и рентгеновская спектросокпия показали, что обработанный бактериями материал представляет собой оксогидроксид никеля-железа со вкраплениями сульфида железа Ni(Fe)OOH—FeSx. Соотношение количества никеля к количеству кислорода, железа и серы на поверхности было равно 32:64:2:1.

Затем авторы протестировали новый материал в качестве электрода для выделения кислорода из щелочного раствора. Он показал очень низкое анодное перенапряжение оксиления гидроксид-ионов — всего 220 милливольт. Значение перенапряжения показывает, какое дополнительное напряжение нужно приложить к электроду, чтобы осуществить нужное оксиление или восстановление из-за различных затруднений протекания электродного процесса. Чем ниже этот параметр, тем меньше энергии надо потратить на электролиз. Авторам с первого раза удалось продемонстрировать очень хорошие значения перенапряжения — мало кому пока что удавалось добиться значений меньше 200 милливольт, а рекорд составляет 180 милливольт. Впрочем, авторы пока не проводили полной оптимизации условий коррозии, вполне возможно, в дальнейшем им удастся еще немного снизить перенапряжение. Тем не менее вклад бактерий в эффективную работу электрода очевиден уже сейчас: никелевый электрод без обработки в таких же условиях показывал перенапряжение в 400 милливольт, а электрод, обработанным только щелочным раствором железа без бактерий — 300 милливольт.
Авторы пришли к выводу, что такая высокая эффективность нового электрода — результат совместного действия оксогидроксильных OOH групп и сульфидных FeS групп на поверхности электрода. Лимитирующей (самой медленной) стадией электролиза, является адсорбция на электроде гидроксид-ионов, которые должны в дальнейшем превратиться в кислород. Теоретические расчеты показывают, что кислород легче образует связи с железом, а особенно легко — с железом, которое находится в составе сульфида железа FeS, так как на нем в данном случае сосредоточен больший положительный заряд. Поэтому в композите, богатом сульфидными группами FeS, адсорбция происходит легче и электролиз можно проводить при более низком потенциале.

Ся и его коллеги полагают, что предложенный ими метод бактериальной коррозии можно будет в дальнейшем адаптировать и для получения других материалов в том числе в промышленных масштабах.

В прошлом году американские и китайские химики показали, что похожие по составу железно-никелевые электроды с сульфидным покрытием устойчивы к хлоридной коррозии, поэтому их можно использовать и для электролиза морской воды.

Наталия Самойлова