Ученые из Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН, Новосибирского государственного университета и Института катализа имени Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН усовершенствовали гибридные слоистые соединения дисульфида молибдена, которые используются в качестве катализаторов для производства водорода с помощью электролиза воды. Результаты исследования опубликованы в Journal of Hydrogen Energy.

Электролиз – разложение молекул воды на водород и кислород и водород под воздействием электрического тока – требует использования катализаторов, значительно ускоряющих химические процессы. Наилучшим из них считается металлическая платина, однако ученые ведут поиск мнее дорогостоящих альтернатив, одной из которых является дисульфид молибдена (MoS2) – серо-голубой кристаллический порошок, жирный на ощупь. Однако лишь одна из его модификаций проявляет высокую каталитическую активность, которая при этом снижается при нагреве до 80 градусов Цельсия – неизбежного уровня для промышленных условий.

Исследование российских ученых было призвано ответить на вопрос: как добиться повышения устойчивости дисульфида молибдена для улучшения его каталитических свойств? Решением стало нанесение материала отрицательного заряда на монослои MoS2.

Кристаллическая решетка дисульфида молибдена состоит из слоев S-Mo-S (сера-молибден-сера) трехатомной толщины. Атомы молибдена и серы внутри этих слоев соединены ковалентными химическими связями, а сами слои соединены за счет так называемых ван-дер-ваальсовых взаимодействий – более слабых сил межмолекулярного взаимодействия, чем химическая связь. Такое строение позволяет разделять кристаллы MoS2 на отдельные слои, а также получать системы, в которых слои дисульфид молибдена чередуются с другими компонентами. Это дало исследователям возможность встроить между слоями анионов (отрицательно заряженных ионов) MoS2 «начинку» из органических катионов (ионов положительного заряда), прочно связанных с сульфидными слоями благодаря электростатическим и нековалентным взаимодействиям.

Авторы исследования провели тысячу непрерывных циклов расщепления воды, в ходе которых активность катализатора оставалась неизменной благодаря встроенным органическим прослойкам. Некоторые образцы сохраняли устойчивость даже при температуре 150-200 градусов Цельсия. «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», – цитирует Российский научный фонд руководителя проекта, кандидата химических наук Александра Голубя.