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 (NiSx) 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.

Этапы создания и состав двуслойного анода из пористого никеля
Этапы создания и состав двуслойного анода из пористого никеля

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 (NiSx 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.