Досі відсутність ефективних каталізаторів заважала використовувати сечовину як джерело електрики. Але австралійським хімікам вдалося добитися стабільної реакції окиснення за допомогою каталізатора із фероціаніду нікелю. Так, за словами вчених, реакція з новим каталізатором є ефективним альтернативним джерелом утворення екологічно чистого палива для вироблення електроенергії – гідрогену. Новий спосіб потребує менше енергії порівняно із традиційними, а також посприяє зменшенню вмісту сечовини у стічних водах. Стаття опублікована у Nature Energy.
Барвник берлінська лазур, аналог використовуваного у роботі каталізатора із фероціаніду нікелю. Saalebaer / Wikimedia Commons
Звідки взявся цей спосіб?
Сечовина СО (NH2)2 – це не те саме, що сеча. Це лише один із її компонентів, який являє собою діамід вуглецевої кислоти, що добре розчиняється у воді. Сечовина у великій кількості присутня не тільки у побутових каналізаційних стоках, але і у багатьох промислових рідких відходах. Тому на електрохімічну реакцію її окиснення давно звернули увагу як на хімічне джерело електричного струму. Але з'ясувалося, що вона не надто ефективна як джерело анодного струму через складний процес трансферу електронів. Тобто паливний елемент з типової окисно-відновної реакції за участі сечовини буде не надто ефективним. А от для напівреакції з виділенням водню вона все ще підходить і тому її можна було б використовувати для виготовлення гідрогену і задоволення наших потреб в енергії, і одночасно для очищення стічних вод. Втім, на розвиток цього методу впливала відсутність недорогих і ефективних каталізаторів. Але у новій роботі хіміки університету Аделаїди, що в Австралії, з'ясували, що фероціанід нікелю може все ж повернути сечовину у статус альтернативного джерела енергії.
Як у справі допоміг фероціанід нікелю?
Намагаючись економніше використовувати електрику для розкладання сечовини, вчені зверталися до безлічі різних комбінацій металів на роль електрокаталізаторів: титан-платина, титан-платина-ірідій, рутеній. Причому тільки кілька каталізаторів підтримують відносну щільність струму вище 90 відсотків від початкового значення протягом 50 годин безперервної реакції. Найкраще себе показували каталізатори на основі нікелю, але навіть найефективніший з них, який застосовувався досі – оксалат нікелю (NiC2O4 ) слабо взаємодіяв із реакційним середовищем, через що анодна реакція була занадто повільною. Цього разу дослідники вирішили випробувати як каталізатор фероціанід нікелю, один із варіантів барвника берлінська лазур – Ni2Fe(CN)6. Теоретично поверхня електроду із цієї сполуки завдяки своїм електромагнітним властивостям взаємодіятиме із більшим об'ємом реакційного середовища. І їхнє припущення виявилося правильним: новий електрокаталізатор витрачав у 35 разів менше енергії, ніж стандартний із оксалату нікелю.
Звідки береться енергія?
Вищу ефективність нового методу вчені пояснюють тим, що механізм реакції є двоступеневим, адже не тільки нікель, але і залізо, є каталізатором, і каталізують вони синтез різних молекул. Внаслідок цього реакція окислення у присутності фероціаніду нікелю іде іншим шляхом: замість води, азоту та діоксиду вуглецю спочатку утворюються аміак та діоксид вуглецю, після чого вже аміак завдяки залізу перетворюється на азот та гідроген.
Щоб довести ефективність сечовини у синтезі гідрогену для видобутку енергії, вчені зібрали електролізер, який використовував фероціанід нікелю в ролі анода у електроліті, який містив гідроксид калію і сечовину. Для порівняння використовувався електролізер з оксидом рутенію і електролітом з гідроксидом калію. В результаті виявилося, що для отримання щільності струму в 10 і 100 міліампер на квадратний сантиметр, електроліз сечовини вимагає напруги у 1,38 і 1,50 вольта відповідно. У той час як оксиду рутенію, щоб розділити воду, знадобилася напруга 1,56 і 1,85 вольта відповідно. Це ясно вказує на перевагу сечовини в ролі субстрату для окиснення, альтернативного воді в електролізері, тим більше, що синтез водню зберігав фарадеївську ефективність більш як 90 відсотків. Так завдяки двоступеневому механізму із проміжним синтезом аміаку, хімікам вдалося досягти ефективної окисно-відновної реакції, яка обходить традиційні методи і може стати способом перетворення побутових стоків на джерело гідрогену як екологічно чистого палива.