Використовуючи звичайний магніт за 10 доларів, дослідники подвоїли вихід водню при електролізі води. Якщо підхід може бути розширений на промислове виробництво, він має потенціал скоротити витрати на електролітичне виробництво водню.
Водень називають чистим паливом (але викиди водню в повітря є небезпечними), оскільки при його спалюванні не утворюється вуглекислий газ або інші забруднювачі, утворюється лише вода. Але близько половини водню в світі виробляється шляхом парової конверсії метану, що становлює приблизно 3% від глобальних викидів CO2.
Тільки 4% водню виробляється електролізом води. Отримання водню шляхом електролізу є достатньо дорогим, тому, скорочення витрат на електроліз, або збільшення виходу водню – це шлях для того, щоб водень став економічно вигідним паливом, виробленим за рахунок відновлюваної електроенергії.
Електроліз водних розчинів лугів є відносно дешевшим і використовується вже більше 50 років, але він менш ефективний, ніж використання для електролізу дорогих полімерних електролітичних мембранних систем. “Перевагою електролізу лужних розчинів є те, що в електродах можна використовувати різні, достатньо дешеві метали”, – говорить Хосе Рамон Галан-Маскарос з Інституту хімічних досліджень Каталонії (ICIQ), який очолював дослідження магнітів.
Електролізери лужних розчинів зазвичай містять розчин калій гідроксиду і два каталітичних електрода на основі нікелю, розділених пористою мембраною. Молекули води взаємодіють з електронами на катоді з утворенням водню і гідроксид аніонів, а на аноді, гідроксид аніони перетворюються в кисень, електрони і воду.
Галан-Маскарос і його команда зосередилися на певному етапі електролізу – реакції утворення кисню, яка є найповільнішою частиною електролітичного процесу. Вони вкрили анод з пінополістиролу магнітним нікелево цинковим феритом і використовували його в електролізері, який працював при 1,6 В. Коли дослідники розмістили комерційний неодимовий магніт поруч з анодом (див. фото), щільність струму на аноді зросла вдвічі, без додаткового збільшення напруги. Це подвоїло швидкість утворення кисню і викликало еквівалентне збільшення виходу водню. “Вони отримують величезну щільність струму”, – коментує Рон Нееман з Інституту науки Вейцмана, який також працював над прискоренням реакції утворення кисню про процесі електролізу. – “Це дуже, дуже красиво.”
Після тестування різних анодних матеріалів команда ICIQ виявила, що ефект залежить від ступеня анодної намагніченості і не працює взагалі з немагнітними анодами. Це говорить про те, що ефект пов’язаний з електронними спіновими станами оксигенових проміжних сполук, пов’язаних з каталізом процесу, говорить Галан-Маскарос.
Під час електролізу два атоми оксигену, пов’язані з поверхнею каталітичного анода, об’єднуються для утворення молекули кисню. Для того, щоб ця реакція відбувалася, електрони атомів оксигену повинні відповідати певним вимогам. Молекула кисню містить два непарних електрони з паралельними спінами, відомі як триплетний стан. Для утворення хімічного зв’язку значення спінового числа для цих неспарених електронів в двох атомах оксигену повинні бути різними. Дослідники припускають, що магніт вирівнює спіни електроннів всередині анода, який, у свою чергу, контролює спіновий стан оксигену, пов’язаного з його поверхнею. Це гарантує, що їхні спіни будуть вирівняні для утворення хімічного зв’язку. Нееман каже, що команда ICIQ чітко доводить, що спін бере участь у прискоренні утворення молекули кисню в магнітному реакторі. “Але деталі того, як спін впливає на реакцію на поверхні, дуже складні”, – говорить Нееман – “Детальний механізм ще ніхто не розумів”.
Ефект, однак, не безпрецедентний. Нааман раніше виявив, що хіральні каталізатори, нанесені на електрод, можуть призвести до подібного ефекту, хоч і меншого впливу на реакцію утворення кисню. Це підтвердили також і теоретичні розрахунки – відсутність вирівнювання спіну електронів сповільнює утворення кисню на аноді.
У дослідженні, магнітне поле неодимового магніту дорівнює близько 0,4 Тесла, що приблизно в 40 разів сильніше, ніж магніт на холодильнику. Дослідники очікують, що інші магніти можуть досягти такого ж ефекту.
Винахідники ведуть перемовини з виробниками електролізерів і сподіваються на впровадження магнітів в прототипи електролізерів промислового виробництва.