Группа исследователей из Фуданьского университета (Китай) совершила прорыв в области повышения эффективности производства «зеленого» водорода. Результаты работы команды, опубликованные в журнале Science 14 февраля, описывают разработку нового катализатора, который значительно повышает стабильность и производительность технологии электролиза воды с протонообменной мембраной (PEMWE). Эта технология является ключевой для получения «зеленого» водорода, который считается перспективным энергоносителем в условиях растущего спроса на устойчивые энергетические решения.
Технология электролизеров воды, способная эффективно расщеплять воду на водород и кислород, играет решающую роль в производстве «зеленого» водорода. Однако широкое распространение этой технологии сдерживается зависимостью от дорогих и дефицитных катализаторов на основе иридия, необходимых для реакции выделения кислорода (OER) – ключевого этапа процесса электролиза. Высокая стоимость и ограниченная доступность иридия, а также недостаточная эффективность существующих катализаторов на его основе, создают серьезные препятствия для крупномасштабного развертывания систем электролиза воды.
Для решения этих проблем команда Фуданьского университета под руководством Чжана Бо, Сюй Ифэя, Дуань Сая и Сюй Синя разработала инновационную конструкцию «встроенного» катализатора, которая повышает эффективность OER, сводя к минимуму использование иридия. Вдохновленные структурой зубов, «встроенных» в десны, ученые применили новый метод синтеза, который они назвали «встраиванием, индуцированным созреванием». Этот метод облегчает встраивание наночастиц оксида иридия, основного каталитического материала, в подложку из оксида церия, подобно тому, как зубы закрепляются в деснах.
Передовые методы характеризации сыграли ключевую роль в понимании и оптимизации процесса роста катализатора. Используя крио-трансмиссионную электронную микроскопию (CryoTEM) и криоэлектронную томографию (CryoET), исследователи смогли визуально отслеживать рост и встраивание наночастиц оксида иридия в подложку из оксида церия, фиксируя динамику процесса синтеза в режиме реального времени. Полученные с помощью этих методов визуализации данные, в сочетании с теоретическими расчетами с использованием полноатомного кинетического моделирования Монте-Карло (KMC), показали эффективность ультразвуковой и термической обработки для ускорения скорости роста материала подложки.
Точный контроль над скоростью роста как подложки, так и катализатора оказался решающим фактором для достижения оптимального встраивания наночастиц оксида иридия, обеспечивая их стабильность и предотвращая отсоединение во время электролиза. Тщательно продуманная конструкция обеспечила оптимальное встраивание оксида иридия в подложку из оксида церия и позволила получить высокостабильный и эффективный катализатор. Тщательное тестирование в условиях работы технологии электролизера воды в течение длительного периода в 6000 часов продемонстрировало исключительную долговечность катализатора: минимальное снижение напряжения и сохранение высокой активности, что превосходит международные стандарты производительности.
Комментируя значимость этого прорыва, профессор Чжан заявляет, что результаты исследований знаменуют собой значительный шаг на пути к коммерчески жизнеспособному производству «зеленого» водорода. Он уверен, что эта конструкция катализатора не только устраняет недостатки существующих катализаторов, но и открывает путь к разработке более экономичных и эффективных систем технологии электролизеров воды.
Исследование команды, поддержанное Национальным фондом естественных наук Китая и другими ключевыми инициативами по финансированию, имеет большие перспективы для будущего производства «зеленого» водорода. Планируется дальнейшее совершенствование катализатора, изучение других экономичных материалов и сотрудничество с промышленными партнерами для ускорения коммерциализации технологии и содействия достижению целей Китая по углеродной нейтральности.
