Екологічний спосіб отримання водневого палива: хіміки використовували бактерії для електролізу води

17 жовтня 2020 | 13:39
Екологічний спосіб отримання водневого палива: хіміки використовували бактерії для електролізу води - фото 1

Китайські хіміки отримали електроди для електролізу води за допомогою сульфатредуцирующих бактерій. Бактерії покривають поверхню електрода сульфідом заліза, який потім полегшує адсорбцію кисень-містять частинок. Отримані електроди показують низьке значення анодного перенапруження в 220 мілівольт, а сам процес їх отримання дуже простий - його можна буде легко адаптувати для промисловості.

Результати дослідження опубліковані в журналі Nature Communications.

Один з найбільш екологічних способів отримання водневого палива - електроліз води. Щоб витрачати на цей процес менше енергії, вчені покривають поверхню електродів різними каталізаторами. Для анода (на ньому під час електролізу виділяється кисень) дуже ефективними виявилися залізно-нікелеві каталізатори, які додатково модифікують різними аніонними частками: гідроксильних і сульфідними. Матеріали для таких каталізаторів коштують дешево, але процес їх синтезу поки що досить складний: вчені використовують методи гидротермального нанесення і електроосадження.

Китайські хіміки під керівництвом Бао Юй Ся (Bao Yu Xia) з Хуачжунского університету наук і технологій спробували модифікувати поверхню електродів за допомогою сульфатредуцирующих бактерій. Відомо, що корозія стали в присутності таких бактерій призводить до утворення сульфідів і оксогідроксідов заліза - тих самих сполук, які ефективно працюють на поверхні електродів.

Процес корозії, який використовували Ся і його колеги, дуже простий. Нікелеву пластину спочатку обробляли соляною кислотою, для того, щоб очистити нікель від оксидної плівки, а потім поміщали в лужний розчин, в якому також містився сульфат заліза і сульфаторедуцірующіе бактерії. Розчин витримували в безкисневому атмосфері при температурі 37 градусів протягом декількох днів. За цей час бактерії відновлювали знаходяться в розчині сульфат-іони до сульфіду іонів, які потім з'єднувалися з залізом і осідали на поверхні електрода. Автори намагалися різну концентрацію бактерій а також різний час корозії від 3 до 17 днів, оптимальним виявився проміжок в 10 днів.

Рамановская спектросокпія і рентгенівська спектросокпія показали, що оброблений бактеріями матеріал являє собою оксогідроксід нікелю-заліза з вкрапленнями сульфіду заліза Ni (Fe) OOH-FeSx. Співвідношення кількості нікелю до кількості кисню, заліза і сірки на поверхні було одно 32: 64: 2: 1.

Потім автори протестували новий матеріал в якості електрода для виділення кисню з лужного розчину. Він показав дуже низький анодное перенапруження оксіленія гідроксид-іонів - всього 220 мілівольт. Значення перенапруги показує, яке додаткову напругу потрібно прикласти до електрода, щоб здійснити потрібне оксіленіе або відновлення через різних труднощів протікання електродного процесу. Чим нижче цей параметр, тим менше енергії потрібно витратити на електроліз. Авторам з першого разу вдалося продемонструвати дуже хороші значення перенапруги - мало кому поки що вдавалося домогтися значень менше 200 мілівольт, а рекорд становить 180 мілівольт. Втім, автори поки не проводили повної оптимізації умов корозії, цілком можливо, в подальшому їм вдасться ще трохи знизити перенапруження. Проте внесок бактерій в ефективну роботу електрода очевидний вже зараз: нікелевий електрод без обробки в таких же умовах показував перенапруження в 400 мілівольт, а електрод, обробленим тільки лужним розчином заліза без бактерій - 300 мілівольт.

Автори прийшли до висновку, що така висока ефективність нового електрода - результат спільної дії оксогідроксільних OOH груп і сульфідних FeS груп на поверхні електрода. Лимитирующей (найповільнішої) стадією електролізу, є адсорбція на електроді гідроксид-іонів, які повинні надалі перетворитися в кисень. Теоретичні розрахунки показують, що кисень легше утворює зв'язки з залізом, а особливо легко - з залізом, яке знаходиться в складі сульфіду заліза FeS, так як на ньому в даному випадку зосереджений більший позитивний заряд. Тому в композиті, багатому сульфідними групами FeS, адсорбція відбувається легше і електроліз можна проводити при більш низькому потенціалі.

Ся і його колеги вважають, що запропонований ними метод бактеріальної корозії можна буде в подальшому адаптувати і для отримання інших матеріалів в тому числі в промислових масштабах.

У минулому році американські і китайські хіміки показали, що схожі за складом залізно-нікелеві електроди з сульфідним покриттям стійкі до хлоридної корозії, тому їх можна використовувати і для електролізу морської води.

Раніше повідомлялося, що вчені Університету Меріленда і Університету Техасу (США) з'ясували, що два штами пожирають плоть бактерій, які викликають небезпечне зараження м'яких тканин, можуть взаємодіяти один з одним, формуючи ще більш смертельну інфекцію.

Таємниці динозаврів: чому тварини ходили по стелі печер - фото
27 листопада 2020
Мінекономіки вирішило оголосити конкурсний відбір на посаду глави «Укрспирту»
26 листопада 2020
Вперше з вертикальним дизайном: НБУ випустив нову сувенірну банкноту - відео
26 листопада 2020
Пандемія коронавірусу: Німеччина продовжує і посилює «частковий локдаун»
26 листопада 2020
Держава у смартфоні: у додатку «Дія» запустили реєстр виборців
26 листопада 2020
Невтішні зміни: частина українців залишиться без пенсії
26 листопада 2020