Исследователи из Европы разработали кобальтовосодержащий катализатор, способный к выделению водорода из воды в результате простого электрохимического процесса с низкими потенциалами перенапряжения; бонусом катализатора является его способность окислять воду с выделением кислорода после установления анодного равновесия.

Электро- или фотолитическое расщепление вводы с выделением водорода могло бы решить проблему недостатка ископаемого топлива и развития водородной энергетики, однако существует лишь небольшое количество катализаторов, способных к электрохимическому расщеплению воды.

Винсент Артеро (Vincent Artero) из Университета Гренобля разработал ряд комплексов, способных решать задачу выделения водорода из воды, однако Артеро с коллегами оставалось решить одну проблему – нанесение катализаторов на электроды.

Рис. 1. Изображение модифицированных электродов,
полученное с помощью сканирующего электронного
микроскопа. (Рисунок из Nature Materials, 2012,
doi:10.1038/nmat3385)

Исследователям из группы Артеро удалось разработать новый подход – электроосаждение из раствора гексагидрата нитрата кобальта(II) в буферном растворе и фосфата калия на легированный фторид-ионами электрод из оксида олова.

Разработанная методика позволяет получить на электроде поверхность из наночастиц металлического кобальта, покрытых слоем оксо-гидроксофосфата кобальта.

Когда в паре с полученным электродом работает хлорсеребряный электрод, а электролитом является водный раствор нитрата кобальта(II), газообразный водород выделяется при перенапряжении не более 50 мВ, что гораздо ниже перенапряжения, чем перенапряжение для выделения водорода, описанное дл других кобальтосодержащих катализаторов.

Важным моментом является то обстоятельство, что тот же самый электрод, работая при потенциале +1.16 В относительно того же хлорсеребряного электрода, способствует выделению кислорода из воды. Это становится возможным благодаря тому, что строение катализатора меняется в зависимости от того, каков потенциал электрода – положительный или отрицательный.

Спектральные исследования показали, что

слои кобальта работают подобно катализатору – двуликому Янусу, принимая различную структуру на одном и том же электроде.

При положительном потенциале около 50% исходного кобальтового покрытия превращается в оксид кобальта за счет быстрых редокс-зависимых процессов, которые являются полностью обратимыми, при этом не происходит потеря активности. Обнаруженные свойства являются первым примером того, что такие свойства проявляет не благородный металл, возможно, что такие свойства обусловлены тем, что материал электрода находится в состоянии равновесия с ионами металла в растворе.

Артеро отмечает, что

перспективы для коммерциализации нового катализатора весьма высоки, хотя еще необходимо разработать прибор для применения этого катализатора. Однако стоимость предложенной техники электроосаждения весьма невелика и успешно может конкурировать с существующими методами нанесения пленок металлов на поверхность, такими как напыление, а также, по словам Артеро, цена кобальта гораздо меньше цены благородных металлов, применяющихся в электрокатализе.