Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Китая и Германии разработали электрокатализаторы на основе дисульфида молибдена (MoS₂) для производства водорода. Новый материал синтезирован путем нанесения специальных чернил на поверхность бумаги с металлическим покрытием и изготавливается методом струйной печати. Такие катализаторы по сравнению с аналогами являются более доступными и дешевыми, а их использование делает производство водородного топлива более эффективным, рентабельным и экологичным.

Проект реализуется при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований №19–52–14006. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal (Q1; IF:16,744).

Сегодня мировое научное сообщество интенсивно занимается исследованиями по разработке устойчивых и возобновляемых источников энергии, способных уменьшить зависимость общества от ископаемых видов топлива. Водород — один из наиболее перспективных энергоносителей будущего. Из всех существующих способов его получения самым экологичным считается электролиз воды, который не сопровождается выделением парниковых газов. Но данная технология требует применения таких дорогостоящих катализаторов, как платина. Поэтому актуальной задачей является разработка недорогих катализаторов с высокой производительностью.

Исследователи научной группы TERS-Team совместно с коллегами из Китая разработали новый материал, который может эффективно производить водородное топливо. Он состоит из пластинок MoS₂ и восстановленного оксида графена.

«MoS₂ представляет собой слоистый материал, состоящий из атомов молибдена и серы. Он принадлежит к семейству дихалькогенидов переходных металлов, относящихся к классу двухмерных материалов с уникальными электронными и оптическими свойствами. Кроме того, дисульфид молибдена — относительно дешевый и достаточно распространенный материал. А его сочетание с оксидом графена облегчает процесс переноса электронов, необходимый для производства водородного топлива», — рассказывает профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.

Сначала исследователи изготовили специальные чернила, содержащие нанопластинки MoS₂ и частицы восстановленного оксида графена. Затем чернила наносились на электрод из медной пластинки с помощью струйной печати. Это позволяет формировать трехмерную пространственную структуру нанолистов дисульфида молибдена. После чего исследовались физико-химические свойства полученного материала.

«Дисульфид молибдена обладает уникальными электронными свойствами, которые делают его хорошим электрокатализатором. Края нанолистов MoS₂ богаты активными центрами для реакции выделения водорода, это обеспечивает ее активность и селективность. Поскольку у дисульфида молибдена в виде нанопластин большая площадь поверхности, для протекания реакции доступно больше активных центров. А 3D-структура материала позволяет молекулам получать доступ к активным местам на краях пластинок и улучшить перенос электронов, что приводит к эффективной генерации водорода», — поясняет Рауль Родригес.

Предложенный учеными метод доступен по цене, а материал может производиться в больших масштабах благодаря технологии струйной печати. Это делает производство водородного топлива более эффективным и рентабельным.

На следующем этапе проекта ученые планируют оптимизировать электрокатализатор за счет использования лазерной обработки, сделав его более надежным, экономичным и эффективным. Также исследователи изучат возможность применения для производства катализаторов слоистых минералов Томской области.