Новый способ окисления мочевины превратил ее в источник энергии

Австралийским химикам удалось добиться стабильной реакции окисления с помощью катализатора с ферроцианида никеля. Так, по словам ученых, реакция с новым катализатором является эффективным альтернативным источником образования экологически чистого топлива для выработки электроэнергии — водорода. Новый способ требует меньше энергии по сравнению с традиционными, а также поспособствует уменьшению содержания мочевины в сточных водах. Статья опубликована в Nature Energy. Мочевина СО (NH2) 2 — это не то же самое, что моча. Это лишь один из ее компонентов, который представляет собой диамид угольной кислоты, хорошо растворяющейся в воде. Мочевина в большом количестве присутствует не только в бытовых канализационных стоках, но и во многих промышленных жидких отходах. Поэтому на электрохимическую реакцию ее окисления давно обратили внимание как на химический источник электрического тока. Но выяснилось, что она не слишком эффективна как источник анодного тока через сложный процесс трансфера электронов. То есть топливный элемент с типичной окислительно-восстановительной реакцией с участием мочевины будет так же эффективным. В новой работе химики университета Аделаиды, что в Австралии, выяснили, что ферроцианид никеля может вернуть мочевину в статус альтернативного источника энергии.

Пытаясь экономнее использовать электричество для разложения мочевины, ученые обращались к множеству различных комбинаций металлов на роль электрокатализаторов: титан-платин, титан-платин-иридий, рутений. Причем только несколько катализаторов поддерживают относительную плотность тока выше 90% от первоначального значения в течение 50 часов непрерывной реакции. Лучше всего себя показывали катализаторы на основе никеля, но даже самый эффективный из них, который применялся до сих пор — оксалат никеля (NiC2O4) слабо взаимодействовал с реакционной средой, из-за чего анодная реакция была слишком медленной. На этот раз исследователи решили испытать как катализатор ферроцианид никеля, один из вариантов красителя берлинская лазурь — Ni2Fe (CN) 6. И их предположение оказалось правильным: новый электрокатализатор тратил в 35 раз меньше энергии, чем стандартный с оксалата никеля.

Высшую эффективность нового метода ученые объясняют тем, что механизм реакции является двухступенчатым, ведь не только никель, но и железо, является катализатором, и катализируют они синтез различных молекул. В результате реакция окисления в присутствии ферроцианида никеля идет другим путем: вместо воды, азота и диоксида углерода сначала образуются аммиак и диоксид углерода, после чего уже аммиак благодаря железу превращается в азот и водород.

Чтобы доказать эффективность мочевины в синтезе водорода для добычи энергии, ученые собрали электролизер, который использовал ферроцианид никеля в роли анода в электролите, содержащий гидроксид калия и мочевину. Для сравнения использовался электролизер с оксидом рутения и электролитом с гидроксидом калия. В результате оказалось, что для получения плотности тока в 10 и 100 миллиампер на квадратный сантиметр, электролиз мочевины требует напряжения в 1,38 и 1,50 вольта соответственно. А оксиду рутения, чтобы разделить воду, понадобилась напряжение 1,56 и 1,85 вольта. Это ясно указывает на преимущество мочевины в роли субстрата для окисления. Так благодаря двухступенчатому механизму с промежуточным синтезом аммиака, химикам удалось достичь эффективной окислительно-восстановительной реакции, которые обходят традиционные методы и может стать способом преобразования бытовых стоков на источник водорода как экологически чистого топлива.

Перевод материала nauka.ua