Наноцветы из драгоценных металлов ускорили реакцию получения водорода из воды

Общий механизм катализа наноцветами

Наночастицы в виде цветов, содержащие атомы родия и золота, ускорили реакцию выделения водорода из воды под действием электрического тока. Эффект локализованного поверхностного плазмонного резонанса, проявленный наночастицами золота, дополнительно увеличил эффективность наночастиц родия. Кроме того, комбинация атомов двух элементов поспособствовала удобному расположению молекул воды для последующей реакции. Исследование опубликовано в журнале ACS Catalysis.

«Иногда требуется что-то прикрутить к стальному профилю, и приходится искать хорошие саморезы. В общем нашел саморезы тут: https://rumett.ru/catalo

zaklepkig/vytyazhnye-

В настоящее время электролизом воды получают лишь четыре процента от всего производимого в мире водорода из-за дороговизны популярных платиновых катализаторов. Однако доступность воды и экологичность процесса делают электролиз удобным методом получения ценного газа. Это побуждает ученых работать над способами увеличения эффективности катализа. Известно, что испускание наночастицей катализатора электронов с большой кинетической энергией может ускорять электролиз. Однако металлы, способные проявлять эффект плазмонного резонанса и испускать электроны (например, золото), в итоге оказываются менее эффективными, чем дорогие платина и родий.

Группа химиков из Бразилии, Великобритании, Германии и Финляндии под руководством Педро Камарго (Pedro H. C. Camargo) из Университета Хельсинки и Сусанны Торрези (Susana Inés Cordoba de Torresi) из Университета Сан-Паулу предложила использовать биметаллические наночастицы из золота и родия для решения проблемы. Гипотеза заключалась в том, что наночастицы золота, способные проявлять необходимый эффект на свету, будут передавать электроны на родий, что дополнительно увеличит его каталитическую активность в реакции разложения воды на кислород и водород. При этом цена катализатора снизится, так как золото значительно дешевле родия.

Для синтеза катализатора химики смешивали растворы предварительно полученных наночастиц золота и раствор хлорида родия (III) в присутствии поверхностно-активного вещества (ПАВ), стабилизатора и восстановителя. Путем перебора условий они обнаружили, что бромид цетримониума как ПАВ, иодид натрия в качестве стабилизатора и аскорбиновая кислота в качестве восстановителя позволяют получить хорошо структурированные частицы необычной формы. В них цепочки из атомов родия отходят от центральной частицы из атомов золота, напоминая лепестки цветка. Варьирование количества хлорида родия и времени реакции приводило к наночастицам с формулами Au90Rh10, Au82Rh18 и Au68Rh32.

Микрофотографии наноцветов с разным содержанием родия. Доля родия увеличивается слева направо

Затем ученые исследовали содействие плазмонного резонанса атомов золота с помощью циклической вольтамперометрии и построения поляризационных кривых. Эксперименты для всех полученных наночастиц сначала провели в темноте, а затем при облучении. Перенапряжение в случае биметаллических наночастиц значительно уменьшалось на свету. Таким образом, гипотеза подтвердилась, биметаллические частицы действительно становились значительно эффективнее при облучении. К удивлению ученых, наноцветы оказались эффективнее чистых металлов даже в темноте.

Химики решили изучить причины повышенной эффективности их наноцветов в темноте с помощью ИК спектроскопии. Из формы пиков колебаний связи кислород-водород в адсорбированных молекулах воды, ученые сделали вывод, что перед реакцией они организуются в упорядоченную льдоподобную структуру. Такая структура способствует сильному взаимодействую атомов металла и воды. Оно оказалось наиболее выраженным для наночастиц Au68Rh32, что объясняет их повышенную каталитическую активность в отсутствие света. Авторы приписывают такой эффект их биметаллическому характеру, однако отмечают, что его причины еще предстоит выяснить.

Пик колебания связи кислород-водород в ИК спектре наночастиц разбит на три части, которые соответствуют трем формам воды, содержащимся на поверхности частицы. Зеленый пик отвечает колебаниям связей в воде с льдоподобной структурой

Таким образом, химики показали, как можно использовать энергию света для увеличения каталитической активности наночастиц родия. Из всех полученных частиц наноцветы состава Au68Rh32 оказались наиболее активными как в темноте (перенапряжение составило 0,17 Вольт), так и при облучении светом (перенапряжение понизилось еще на ~40 процентов). Их эффективность оказалась связана со значительным упорядочиванием молекул воды у поверхности катализатора и эффектом плазмонного резонанса наночастиц золота.

Авторы надеются, что их исследование ускорит дальнейшее изучение каталитических свойств родия и позволит удешевить используемые для получения водорода катализаторы. Ранее мы уже писали о попытках использования дешевых материалов в реакции электролиза воды.

Михаил Бойм

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 29.10.2021 в 22:45

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии