Исследователи проекта ANEMEL разработали новый катализатор для расщепления воды, который отличается высокой эффективностью и стабильностью, при этом не использует дорогостоящие металлы платиновой группы (PGM). Это достижение, описанное в недавней публикации в журнале Energy & Environmental Science, может стать важным шагом на пути к массовому производству зеленого водорода. Ученые создали высокопроизводительный катализатор для катода в процессе электролиза воды, который отвечает за реакцию, приводящую к образованию экологически чистого водорода.
Современные электролизеры с анионообменной мембраной (AEM) обычно используют катализаторы на основе металлов платиновой группы, которые являются редкими и дорогими. Эти металлы применяются на катоде, где происходит генерация водорода. Однако разработка ANEMEL позволяет отказаться от PGM, заменив их более доступными металлами, такими как никель. Это не только снижает стоимость компонентов электролизеров, но и улучшает их перерабатываемость, что уменьшает количество отходов и дает конкурентное преимущество.
Одной из ключевых задач было обеспечение того, чтобы электролизеры без PGM работали не хуже, а возможно, даже лучше, чем их аналоги с использованием платины. Металлы платиновой группы известны своей высокой активностью и стабильностью, особенно при высоких плотностях тока, что до сих пор оставалось слабым местом для катализаторов без PGM.
Для понимания значимости этого достижения важно разобрать два ключевых понятия: самоподдерживаемый катализатор и электроосаждение. Самоподдерживаемый катализатор формируется непосредственно на подложке, известной как слой газодиффузионного электрода (GDL). Этот слой позволяет газам диффундировать, обеспечивая при этом электропроводность. В качестве материалов для GDL могут использоваться углеродная бумага, никелевая пена, войлок или сетка.
Электроосаждение — это широко применяемая технология, используемая, например, в производстве часов или судов, где требуется нанесение металлического покрытия. Процесс основан на электролизе, при котором электрическая энергия используется для запуска химической реакции. Два электрода — рабочий (где расположен GDL) и противоэлектрод — погружаются в электропроводящий раствор, называемый электролитом. При подаче тока между электродами ионы в растворе, служащие предшественниками катализатора, мигрируют к рабочему электроду, формируя катализатор.
Исследователи ANEMEL разработали катализатор на основе никеля и молибдена — металлов, которые широко доступны в природе. Новизна их подхода заключается в методе и параметрах, которые позволили достичь высокой производительности катализатора, хотя комбинация этих металлов уже использовалась в подобных реакциях ранее.
Ариана Сербан, ведущий автор исследования и докторант École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) в Швейцарии, поделилась, что работа над этим катализатором велась долгое время. Ученые оптимизировали метод, состав электролитической ванны и материалы, используемые для GDL. В итоге в качестве подложки для GDL была выбрана углеродная бумага, поскольку никелевая пена, войлок и сетка оказались менее подходящими. Например, использование сетки приводило к образованию небольших отверстий в мембране, что вызывало короткое замыкание.
Особенность метода ANEMEL заключается в составе электролитической ванны и использовании высокой плотности тока для осаждения. В отличие от традиционных подходов, в которых часто применяется буферный агент, такой как борная кислота, для стабилизации pH, исследователи ANEMEL отказались от этого. Вместо этого они использовали электролит с высокой проводимостью, что позволило достичь более компактной и толстой структуры электрода.
Результатом стал катализатор с выдающейся активностью. Он позволяет электролизерам стабильно работать при плотностях тока до 3 А/см², что сравнимо с показателями платиновых катализаторов, а в некоторых случаях даже превосходит их по стабильности. Это означает, что ANEMEL не только разработала катализатор без PGM, но и создала решение, превосходящее современные аналоги. По словам Сербан, этот результат входит в топ-100, а возможно, и в топ-50 по производительности среди катализаторов без PGM.
Характеристики катализатора также выявили структурные изменения во время реакции, которые объясняют его высокую эффективность. Сербан пояснила, что происходила реорганизация поверхности, при которой атомы молибдена мигрировали к поверхности, чему способствовали искажения в объеме материала. Некоторые из этих атомов окислялись, теряя электроны, и эти окисленные частицы участвовали в процессе расщепления воды. Это открытие приближает нас к крупномасштабному производству зеленого водорода, что может стать важным шагом на пути к устойчивому будущему.
