Композитная биополимерная каталитическая система на основе комплекса хитозан /никель для электрохимического выделения водорода

Зависимость мировой экономики от ископаемого топлива порождает комплекс экологических и социально-геополитических проблем. Прогнозируемый рост его потребления на фоне сокращения запасов ведёт к обострению этих кризисов. Альтернативой является ускоренный переход на возобновляемые источники энергии. Водород, обладая статусом наиболее распространенного элемента на Земле и характеризуясь экологической чистотой, рассматривается в качестве перспективного энергоносителя будущего [1-4]. Основным препятствием для масштабирования водородной энергетики является высокая стоимость и недоступность катализаторов, требуемых для электролиза воды. Существующие решения на базе благородных металлов (Pt, Ir, Ru) экономически нецелесообразны для глобального внедрения. В связи с этим активно исследуются альтернативные материалы, среди которых комплексы биополимеров с переходными металлами выделяются как многообещающий класс. Их потенциал обусловлен уникальным сочетанием каталитической активности, экологической чистоты и экономической эффективности.

В настоящей работе обсуждаются результаты использования биополимерной матрицы на основе хитозана для формирования композитных никелевых электрокатализаторов реакции выделения водорода. В работе хитозан использовался в качестве каркаса для электрохимического осаждения металлического никеля (Ni) и ориентированной сети волокон никеля (NiFs) с последующей оценкой влияния полимерной матрицы на морфологию поверхности и каталитическую активность полученных электроосажденных каталитических слоёв. На рисунке 1 приведены поляризационные кривые для всех исследуемых электрокатализаторов, зарегистрированные в водном растворе 0,5 М H2SO4 при скорости сканирования 2 мВ/с. Все кривые представлены с учетом коррекции на падение напряжения iR в электролите. Среди представленных электрокатализаторов наилучшей эффективностью в реакции выделения водорода обладает Хитозан/Ni+NiFs. Перенапряжение выделения водорода при 10 мА/см2 для данной системы составляет 0,213 В. Покрытие Хитозан/ Ni, по сравнению с Хитозан/Ni+NiFs, обладает меньшей электрокаталитической активностью. Перенапряжение реакции выделения водорода для данной системы на 104 мВ больше и составляет 317 В. Для сравнения на рисунке также приведена поляризационная кривая слоя Ni. Перенапряжение на слое Ni составляет 0,396 В, что на 183 мВ больше по сравнению с Хитозан/Ni+NiFs.

Благодарность: Исследование выполнено в рамках гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации для реализации крупных научных проектов по приоритетным направлениям развития науки и техники (075-15-2024-646).

Литература

1. D. Guan, B. Wang, J. Zhang, R. Shi, K. Jiao et al. // Energy & Environmental Science, V. 16, 4926-494 (2023).
2. S. P. Shelake, D. N. Sutar, B. M. Abraham, T. Banerjee, A. V. S. Sainath et al. // Advanced Functional Materials, V. 34, 2403795 (2024).
3. M. K. Singla, J. Gupta, S. Beryozkina, M. Safaraliev et al. // International Journal of Hydrogen Energy, V. 61, 664-667 (2024).
4. T. Sebbagh, M. E. §ahin, C. Beldjaatit // Clean Technologies and Environmental Policy, V. 26, 4017-4040 (2024).

Автор: Низамеева Г.Р.*, Лебедева Э.М., Воробьева В.В., Низамеев И.Р. ИОФХ им. А.Е. Арбузова — обособленное структурное подразделение ФИЦ КазНЦ РАН, г. Казань