Зеленый водород призван сыграть важную роль в будущей энергетической системе: его можно использовать для хранения химической энергии, в качестве сырья для химической промышленности и для производства климатически нейтрального топлива. Производство зеленого водорода может быть почти климатически нейтральным, если энергия, используемая для электролиза — процесса расщепления воды на ее элементы, — поступает от солнечной или ветровой энергии. Однако для ускорения образования водорода и кислорода на двух электродах необходимы специальные катализаторы.
В частности, реакция выделения кислорода протекает медленно и без эффективных катализаторов потребовала бы значительно больше энергии. В настоящее время такие катализаторы изготавливаются из драгоценных металлов, которые редки и дороги. Для производства зеленого водорода в требуемых количествах по разумной цене необходимы катализаторы из легкодоступных элементов.
В центре HZB команда под руководством Мишель Браун разрабатывает перспективные альтернативы на основе так называемых MXenes. MXenes представляют собой слоистые структуры, состоящие из углерода и так называемых переходных металлов. Каталитически активные частицы могут закрепляться на внутренних поверхностях MXenes, тем самым усиливая их каталитический эффект. Новое исследование, опубликованное в журнале «Advanced Functional Materials», теперь показывает, что эта идея работает.
Первый автор исследования, Джан Каплан, использовал различные варианты карбида ванадия MXene в качестве основы для своей работы. Он воспользовался возможностью провести исследования в лаборатории шведских партнеров в Линчёпингском университете во время своей аспирантуры в рамках программы обмена.
Джан Каплан поясняет, что там они синтезировали два варианта MXene: чистый V2CTX и V1.8CTx с 10% вакансиями ванадия. Он добавляет, что эти вакансии ванадия обеспечивают значительно большую площадь внутренней поверхности этого варианта.
В лаборатории Мишель Браун в HZB Джан Каплан разработал многоступенчатый химический процесс для внедрения каталитических частиц Co0.66Fe0.34 в структуру MXene. Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывают успешность этого процесса; чистые MXenes имеют слоистую структуру, напоминающую тесто, которая значительно изменилась после внедрения частиц кобальта-железа.
Затем команда исследовала эффект различных образцов катализаторов в процессе электролиза: чистого соединения железа-кобальта и его смеси с одним из двух вариантов MXene. Результаты были очень четкими: чистое соединение железа-кобальта также действует как катализатор. Однако при внедрении в MXene каталитический эффект значительно возрастал. А эффективность дополнительно повышается, когда соединение железа-кобальта внедряется в MXene с многочисленными вакансиями.
Используя рентгеновскую абсорбционную спектроскопию in situ на синхротронном источнике SOLEIL во Франции, команда смогла отследить изменения степеней окисления кобальта и железа во время электролитической реакции.
Джан Каплан подчеркивает, что они испытали эти катализаторы как в лабораторных масштабах, так и в гораздо более крупном электролизере. По его словам, это делает полученные результаты действительно значимыми и интересными для промышленного применения.
Мишель Браун отмечает, что в настоящее время промышленность еще не рассматривает MXene в качестве материала-носителя для каталитически активных частиц. Она поясняет, что они проводят здесь фундаментальные исследования, но с четкими перспективами применения. Их результаты, по ее словам, теперь предоставили первоначальное понимание сложного взаимодействия между структурой носителя, внедрением каталитически активных частиц и каталитической активностью.
В заключение Мишель Браун подчеркивает, что MXene является многообещающим кандидатом для разработки инновационных, высокоэффективных и недорогих катализаторов.