Команда ученых из Китайского сельскохозяйственного университета и Наньянского технологического университета разработала прорывную технологию для производства экологически чистого водорода. Новый метод позволяет эффективно преобразовывать сахар из биомассы в формиат – ценное химическое сырье – и одновременно генерировать водород с рекордно высокой скоростью. Ключевым элементом системы стал катализатор на основе оксигидроксида кобальта, модифицированного медью, а источником энергии – высокоэффективный фотоэлектрический элемент.
Эта работа представляет новый подход к производству «зеленого» водорода, объединяя его с переработкой возобновляемой биомассы. Предложенный механизм каскадного окисления, управляемый катализатором, значительно снижает затраты энергии по сравнению с традиционными методами электролиза воды. Технология открывает перспективы для создания интегрированных систем, где солнечная энергетика и переработка биоресурсов работают в синергии.
В ходе исследования ученые проанализировали различные доступные металлы и выбрали в качестве основы оксигидроксид кобальта. Затем они систематически вводили в его состав разные добавки и обнаружили, что включение всего 5% меди кардинально меняет свойства материала, делая его гораздо более эффективным и селективным. С новым катализатором выход формиата увеличился с 50% до 80%, а энергия, необходимая для запуска реакции, снизилась почти на 400 мВ, что позволило достичь высокой эффективности процесса в щелочной среде.
С помощью комплекса современных методов анализа, включая рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию и электронную микроскопию, исследователи смогли детально изучить, как именно медь изменяет электронную структуру поверхности катализатора. Оказалось, что медь стабилизирует нужные реакционноспособные участки кобальта, одновременно подавляя его чрезмерно активные формы, которые приводят к нежелательным побочным реакциям и снижению эффективности.
Теоретические расчеты подтвердили, что модифицированный катализатор способствует «правильному» связыванию молекулы глюкозы, обеспечивая ее поэтапное расщепление с высвобождением формиата из каждого атома углерода. Это позволяет избежать образования побочных продуктов и максимально эффективно использовать исходное сырье. В паре с катодом из недорогих материалов система производила чистый водород в простом безмембранном реакторе с эффективностью, близкой к 100%.
При имитации концентрированного солнечного света установка показала впечатляющую скорость генерации водорода – 519,5 мкмоль в час на квадратный сантиметр – и сохраняла стабильную производительность на протяжении 24 часов непрерывной работы. Один из ведущих авторов исследования отметил, что полученные результаты меняют взгляд на экономику производства солнечного водорода. «Организуя окисление глюкозы по высокоселективному пути, – подчеркнул эксперт, – катализатор не только снижает потребление электроэнергии, но и одновременно превращает биомассу в ценный химический продукт. Эта система двойного назначения представляет собой поворотный момент на пути к более интегрированным и рентабельным технологиям возобновляемого водорода».
Экономический анализ показал, что такая стратегия может снизить приведенную стоимость водорода до 1,54 доллара за килограмм, что делает его конкурентоспособным или даже более дешевым, чем водород, производимый из ископаемого топлива. Безмембранная конструкция реактора также упрощает систему и снижает капитальные затраты, делая промышленное внедрение более реальным. Важно, что катализатор одинаково хорошо работает с гидролизатами, полученными из реальных сельскохозяйственных отходов, что подтверждает его потенциал для распределенного производства водорода в рамках будущих систем экономики замкнутого цикла.
