Водород считается практически идеальным топливом, поскольку при сгорании он не выделяет вредных парниковых газов типа CO₂ — только водяной пар. Эра чистого топлива, однако, еще не наступила — производить водород слишком дорого. Одна из причин в том, что в процессе используются катализаторы из благородных металлов.

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) нашли более доступную альтернативу металлам платиновой группы и разработали технологию получения перспективного материала — кубического карбида вольфрама. Как открытие российских исследователей приблизит повсеместное использование водородного топлива — под катом.

Почему водород?

Востребованность водорода растет, а объемы его использования удваиваются каждые 15 лет. Широкое применение этот химический элемент нашел в нефтепромышленности.

Помимо этого, водород имеет ключевое значение в так называемой декарбонизации экономики, подразумевающей уход от использования углеводородов. В качестве топлива он является одной из самых безвредных альтернатив. По оценкам BloombergNEF (BNEF), так называемый «зеленый» водород, полученный с помощью электролиза, может сократить глобальные выбросы парниковых газов до 34% к 2050 году.

На сегодняшний день объем рынка водородного топлива оценивается в $700 млрд. Во всех стратегических документах Евросоюза, принятых за последнее время, водород назван основным драйвером роста для преодоления экономического кризиса, вызванного COVID-19.

Трудности производства

Водород практически не встречается на Земле в чистом виде, элемент извлекают из других соединений в результате химических реакций. Как правило, это производство, которое экономически невыгодно либо его сложно поставить на промышленные рельсы. Ученые изучают различные способы удешевления и облегчения производства водорода. Ведь это напрямую влияет на то, как быстро мир сможет перейти на более экологичное топливо.

Производство водорода из воды.

Эксперты BNEF прогнозируют, что еще до 2030 года «зеленый» водород будет стоить чуть выше $2/кг и начнет конкурировать с углем и природным газом в промышленности, например, при производстве стали. А к 2050 году химический элемент сможет конкурировать по цене с самым дешевым углем, при этом не производя ни грамма CO₂.

Перспективы хорошие. Так, год назад немецкая нефтедобывающая компания Shell начала строить одну из крупнейших в мире установок по производству водорода методом электролиза. Планируется, что работать она начнет к концу года и сможет производить до 1300 тонн водорода ежегодно.

Более дешевый катализатор

Обычно при электролизе водорода используются катализаторы из металлов платиновой группы — платины, иридия, рутения и их производных. Все они причисляются к благородным металлам и являются очень дорогими.

Более дешевый аналог — кубический карбид вольфрама. Условия его производства непросты: для синтеза нужна температура под 3000°С и очень быстрое охлаждение. Но ученым Томского политехнического университета удалось разработать установку, позволяющую производить этот материал с высоким процентом чистоты (до 95 %).

Карбид вольфрама.

Установка — коаксиальный магнитоплазменный ускоритель. Высокой температуры и сверхбыстрого охлаждения он достигает с помощью плазменных струй. Их скорость составляет более 3 км/c, а сама реакция занимает менее 1 мс. В ускоритель помещают доступные и относительно дешевые порошки вольфрама и технического углерода. В рабочей камере устройства исходные порошки в ходе плазмохимической реакции трансформируются в кубический карбид вольфрама. Результаты экспериментов ученые описали в научном журнале Journal of Alloys and Compounds.

«Полученные в ходе реакции наночастицы кубического карбида вольфрама успешно применяются в реакции получения водорода из воды. Это позволит минимизировать использование редких и дорогостоящих благородных металлов платиновой группы», — рассказывает доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Иван Шаненков.

Что дальше

Перспективность материала ученые ТПУ подтвердили вместе с китайскими исследователями из Цзилиньского университета и Университета Циндао. В будущем ученые планируют повысить каталитическую активность материала и полностью отказаться от использования дорогостоящих благородных металлов при электрокатализе водорода из воды.