Новый способ преобразования сельскохозяйственных отходов в нанопорошки карбида кремния (SiC) для последующего их использования в качестве электрокатализаторов получения водорода разработал коллектив сибирских ученых, 31 января сообщает пресс-служба Тюменского государственного университета (ТюмГУ).

Карбид кремния обладает высокой твердостью при низкой плотности, хорошей износостойкостью и механической и химической стабильностью при высоких температурах, что делает его востребованным материалом в различных областях производства и предметом исследования ученых.

Недостаточная электропроводность нано-SiC делает его непригодным для промышленных применений в топливных элементах. Однако этот его недостаток можно преодолеть, если в катализаторы на основе SiC добавить различные углеродные структуры и металлы платиновой группы.

Именно такую научную задачу, состоящую в разработке новых подходов для получения наноструктур SiC и особенно композитов на их основе, пригодных для применения в качестве электрокатализаторов решали сибирские физики.

Коллективная статья ученых из лаборатории ресурсоэффективных технологий термической переработки биомассы Института экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO) ТюмГУ, Томского политехнического университета и Института катализа СО РАН «Композитные нанопорошки карбида кремния, полученные из сельскохозяйственных отходов, как эффективные электрокатализаторы для расщепления воды», опубликованная в Journal of Cleaner Production, представила научному миру итоги их работы.

Существующие в настоящее время методы получения нанокарбида кремния из отходов различных отраслей промышленности, таких как электроника, сельское хозяйство и др. основаны на использовании сельскохозяйственных и биологических отходов.

Растительная биомасса как прекурсор для таких технологий имеет преимущества, которые в первую очередь заключаются в том, что в шелухе, соломе злаковых растений и т. п. высоко содержание углерода и диоксида кремния. Поэтому после термической обработки эта биомасса становится почти идеальным исходным материалом для дальнейшего синтеза с использованием плазмы дугового разряда.

Другое ее преимущество состоит в том, что ежегодно в мире образуются миллионы тонн сельскохозяйственных отходов (в том числе 7150 млн тонн рисовой шелухи, 5,5 млн тонн овсяной шелухи, от восьми до 13,5 млн тонн овсяной соломы).

При том что уже существуют некоторые технологии, применяющие эти отходы в производстве удобрений и кормов, около 30% их общей массы просто захоранивается без переработки. Если такое захоронение выполнено неправильно, то гниение уплотненной биомассы приводит к выбросам значительного количества парниковых газов (в настоящее время 16% выбросов производит сельскохозяйственный сектор).

Решить проблемы неправильной утилизации может термическая переработка отходов. Углеродный остаток, образующийся при этом, содержит много кремния и может стать основой для дальнейшего одностадийного синтеза карбида кремния.

Исследовательский коллектив сибирских ученых для получения углеродистых биоуглей (остатков биомассы после термообработки отобранных видов отходов) использовали окислительную карбонизацию при температуре 460 °C в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора глубокого окисления. А на следующем этапе они синтезировали на основе карбида кремния плазмодинамическим методом наноразмерный композитный материал.

Такой нанокомпозит имеет структуру SiC/C и может после модификации ионами платины служить эффективным сокатализатором в реакции расщепления воды для получения водорода.

Исследование нового материала показало, что при добавлении не более пяти массового процента платины его электрокаталитическая производительность не уступает коммерческим образцам платины, а стабильность сохраняется даже после 1500 рабочих циклов. Кроме этого, ученые в статье отмечают, что предлагаемый ими подход является практически CO₂-нейтральным.