Корейский институт передовых наук и технологий KAIST совместно с Корейским институтом энергетических исследований KIER объявил о разработке прорывной технологии электролиза воды нового поколения. Исследовательская группа под руководством профессора Хи-Так Кима создала метод, который позволяет достигать высокой производительности при производстве водорода без использования дорогостоящего платинового покрытия.
Водород привлекает все большее внимание как чистый источник энергии, не производящий выбросов углерода. Одним из самых экологичных способов его получения признан электролиз, при котором вода под действием электричества расщепляется на водород и кислород. Технология протонно-обменных мембран (PEMWE) считается наиболее перспективной, поскольку позволяет получать водород высокой чистоты под высоким давлением. Однако ее широкому коммерческому внедрению мешала высокая стоимость, обусловленная необходимостью применения катализаторов и покрытий из драгоценных металлов.
Ученые из Южной Кореи сосредоточились на основной причине, по которой оксид иридия (IrOx), один из самых активных катализаторов для электролиза, не демонстрировал максимальной эффективности. Они выяснили, что проблема заключается в неэффективной передаче электронов. Исследователи впервые доказали, что производительность можно кардинально повысить, просто контролируя размер частиц катализатора.
В ходе работы было установлено, что причиной низкой эффективности оксида иридия без платинового слоя является «сопротивление переносу электронов». Оно возникает на стыке трех ключевых компонентов электрода: самого катализатора, ионного проводника (иономера) и титановой подложки. Ученые выявили так называемый эффект «отсечки», когда путь для электронов блокируется. Иономер, будучи по своим свойствам близким к изолятору, препятствует потоку электронов, когда окружает частицы катализатора. Кроме того, при контакте иономера с титановой подложкой на ее поверхности образуется барьер, что еще больше увеличивает сопротивление.
Для решения этой проблемы команда изготовила и сравнила катализаторы с частицами разного размера. Эксперименты и компьютерное моделирование показали, что при использовании частиц оксида иридия размером 20 нанометров и более область смешивания с иономером уменьшается. Это обеспечивает свободный путь для электронов и восстанавливает необходимую проводимость.
Благодаря точному проектированию структуры на межфазном уровне удалось одновременно обеспечить и высокую реакционную способность, и беспрепятственный транспорт электронов. Это открытие доказывает, что компромисс между активностью катализатора и его проводимостью, который ранее считался неизбежным, можно преодолеть за счет продуманного дизайна.
Этот прорыв может стать важной вехой не только в разработке высокопроизводительных катализаторов, но и в коммерциализации систем PEMWE. Новая технология позволяет достичь высокой эффективности, радикально сократив использование драгоценных металлов и, соответственно, снизив стоимость производства чистого водорода.
Профессор Хи-Так Ким заявляет, что данное исследование предлагает новую стратегию проектирования, которая способна решить проблему проводимости на границе раздела сред, что было узким местом в технологии высокопроизводительного электролиза. По его словам, достижение высокой эффективности без применения дорогих материалов, таких как платина, становится важным шагом на пути к реализации водородной экономики.
Результаты исследования, первым автором которого выступил аспирант кафедры химической и биомолекулярной инженерии KAIST Джису Пак, были опубликованы 7 июня 2025 года в международном научном журнале в области энергетики и экологии «Energy & Environmental Science». Проект был реализован при поддержке Министерства торговли, промышленности и энергетики Южной Кореи.