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