Ракетное топливо, мыло, бензин… Многие товары могут подешеветь благодаря открытию химиков из Техниона

Водород в чистом виде почти не встречается в повседневной жизни. Однако современной промышленности, причем в самых разных ее областях, требуется чистый водород – газообразный или сжиженный. Его используют для производства аммиака, спиртов, синтетического бензина, соляной кислоты, для гидроочистки нефтепродуктов, резки металлов, производства ракетного топлива, мыла и даже маргарина.

На Земле водород присутствует в вулканических и других природных газах, в атмосфере, а главным резервуаром водорода на земле является вода. Это самый легкий природный элемент. Он входит в состав многих химических соединений, и существуют несколько способов добычи водорода из них.

Один из наиболее экологичных – электролиз воды. Проблема в том, что он сопряжен с высокими энергозатратами, да и вообще слишком дорог, потому что требует использования катализаторов на основе рутения. Рутений (№44 в периодической таблице Менделеева) – металл платиновой группы, считается драгоценным, стоит около 1700 долларов за килограмм (в ценах 2020 года).

Интересно, что этот металл был открыт в середине XIX века профессором Казанского университета Карлом Клаусом и свое название получил в честь России (Ruthenia – одно из средневековых латинских названий Руси). Но рутений тоже не существует в природе в чистом виде – его получают в качестве побочного продукта при очистке других платиноидов.

Один из перспективных путей снижения себестоимости производства водорода – поиски такой технологии электролиза, которая позволит производить водородное топливо при низком перепаде напряжения, пониженном уровне кислотности (pH от 7 до 9), с использованием более дешевых катализаторов на основе меди, марганца или кобальта. И ученые лаборатории биомиметической химии Техниона – докторант Гуйлинь Руан под руководством профессора Галии Мааян – нашли революционное решение для производства водородного топлива на базе медных катализаторов.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Американского химического сообщества (Journal of the American Chemical Society). Ученые Техниона спроектировали и разработали гомогенную систему электролиза, при которой катализатор растворяется в воде. Эта система включает (1) ионы меди, (2) малую молекулу – пептидоподобный олигомер, связывающий ионы меди и поддерживающий их стабильность, и наконец (3) вещество под названием борат (соли борной кислоты), функцией которого является поддержание уровня pH в ограниченном диапазоне (около 9). Ноу-хау проекта – разработка уникального механизма, в результате действия которого соединение бората помогает стабилизировать металлический центр и способствует увеличению скорости реакции.

Профессор Мааян подчеркнула, что система была разработана на основе ферментов (биологических катализаторов), использующих пептидные цепочки белка для стабилизации металлического центра. По ее словам, ученых вдохновили ​​естественные энергетические процессы, такие как фотосинтез, в котором используется солнечная энергия для транспортировки электронов и протонов.

Исследование проводилось при поддержке Национального научного фонда (ISF) и программы Grand Energy.

«Детали», В.Р. Фото: Pixabay