Химики усовершенствовали гибридные слоистые соединения дисульфида молибдена — перспективные катализаторы для производства водорода. Исследования показали, что в них каталитически активная форма дисульфида молибдена стала гораздо устойчивее и сохраняет свойства при повышенной температуре. Это поможет улучшить эффективность выделения водорода из воды и будет способствовать продвижению водородной энергетики.
Результаты исследования опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.
Водород — возобновляемый и «чистый» источник энергии, его рассматривают как основу технологических процессов будущего. Наиболее экологичный способ его получения, без выделения углекислого газа в атмосферу, — электролиз, то есть разложение молекул воды под действием электрического тока. Для его проведения нужны электрокатализаторы, значительно ускоряющие химические процессы. Лучший из них — дорогая металлическая платина. В мире продолжается интенсивный поиск дешёвых альтернатив, и один из самых активных и доступных материалов — дисульфид молибдена MoS2. Высокую каталитическую активность проявляет только одна из его структурных модификаций и проблема в том, что даже при нагреве до 80°С (практически неизбежном в промышленных условиях) она переходит в малоактивную.
Специалисты Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова Российской академии наук (Москва) совместно с коллегами из Новосибирского государственного университета и Института катализа имени Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (Новосибирск) приблизились к решению проблемы и показали, что можно существенно увеличить устойчивость нужной структурной модификации, обеспечив присутствие на монослоях материала отрицательного заряда.
Кристаллическая решётка MoS2 построена из слоёв S-Mo-S трёхатомной толщины. Внутри этих слоёв атомы молибдена и серы соединены ковалентными химическими связями, а связь самих слоёв друг с другом осуществляется за счёт ван-дер-ваальсовых взаимодействий — сил межмолекулярного взаимодействия более слабых, чем химическая связь. Такое строение даёт возможность разделять кристаллы MoS2 на отдельные слои, а также получать системы, в которых чередуются слои MoS2 и другие компоненты — наподобие сэндвича.
Исследователи так и сделали: встроили между слоями анионов дисульфида молибдена «начинку» из органических катионов, прочно связанных с сульфидными слоями благодаря электростатическим и нековалентным взаимодействиям. Однослойная водная дисперсия MoS2 была получена из LiMoS2, а сборку отслоившихся от LiMoS2 анионов (MoS)x- и органических катионов проводили в жидкой среде при комнатной температуре.
Эксперименты продемонстрировали, что встроенные органические прослойки обеспечивают длительную активность катализатора за счёт сохранения нужной структуры. Испытание образцов катализаторов показало почти неизменную активность при разложении воды как минимум в течение 1000 циклов при непрерывной работе. Некоторые образцы были устойчивы даже при температурах 150-200°С — это позволяет надеяться на заметное повышение эффективности катализа при получении водорода.
«Мы надеемся, что данные, полученные в этом исследовании, помогут найти новый подход к дизайну катализаторов на основе MoS2 для производства водорода без выброса углекислого газа», — говорит руководитель проекта Александр Голубь, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории рентгеноструктурных исследований ИНЭОС РАН.
