В мире, стремящемся к экологически чистому будущему, «зеленый» водород, получаемый путем электролиза воды, рассматривается как перспективный источник энергии нового поколения. Этот процесс, в отличие от традиционных методов, не сопровождается выбросами углекислого газа и других загрязняющих веществ. Ключевую роль в электролизе воды играют катализаторы, расщепляющие воду на водород и кислород. Эффективность производства «зеленого» водорода напрямую зависит от производительности этих катализаторов. Таким образом, коммерциализация «зеленого» водорода в значительной степени зависит от разработки экономичных и долговечных катализаторов.
Южнокорейские исследователи сообщают о разработке нового материала, который значительно повышает эффективность производства «зеленого» водорода и одновременно снижает затраты. Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки (KRISS) сообщает, что разработал высокопроизводительный катализатор на основе недрагоценных металлов для использования в анионообменных мембранных (AEM) электролизерах воды. Новый катализатор не только дешевле аналогов на основе драгоценных металлов, но и обладает превосходными характеристиками, что, по мнению разработчиков, приближает коммерциализацию «зеленого» водорода. AEM-электролиз, среди различных методов электролиза воды, привлекает внимание как технология следующего поколения, поскольку теоретически позволяет использовать экономичные неметаллические катализаторы для производства больших объемов водорода.
В настоящее время в системах AEM-электролиза воды преимущественно используются катализаторы на основе драгоценных металлов, таких как платина (Pt) и иридий (Ir). Однако высокая стоимость этих материалов и их подверженность деградации значительно увеличивают стоимость производства водорода. Для решения этой проблемы необходима разработка долговечных и доступных катализаторов на основе недрагоценных металлов.
Группа метрологии новых материалов KRISS сообщает, что ей удалось разработать катализаторы на основе недрагоценных металлов, внедрив небольшое количество рутения (Ru) в структуру диоксида молибдена с никель-молибденом (MoO2-Ni4Mo). Хотя диоксид молибдена обладает высокой электропроводностью, его использование в качестве катализатора электролиза воды было ограничено из-за деградации в щелочной среде.
Благодаря комплексному структурному анализу, исследователи установили, что адсорбция гидроксид-ионов (OH-) на диоксиде молибдена является основной причиной деградации. Основываясь на этих выводах, они разработали метод введения рутения в оптимальном соотношении для предотвращения деградации диоксида молибдена. Образующиеся наночастицы рутения размером менее 3 нанометров образуют тонкий слой на поверхности катализаторов, предотвращая деградацию и повышая долговечность.
Оценки производительности показывают, что новый катализатор обладает в четыре раза большей долговечностью и более чем в шесть раз большей активностью по сравнению с существующими коммерческими материалами. Более того, при интеграции с тандемным солнечным элементом из перовскита и кремния катализаторы продемонстрировали замечательную эффективность преобразования солнечной энергии в водород на уровне 22,8%, что подчеркивает его высокую совместимость с возобновляемыми источниками энергии.
Катализаторы также продемонстрировали высокую активность и стабильность в соленой воде, производя высококачественный водород. Ожидается, что эта возможность значительно снизит затраты, связанные с опреснением.
Доктор Сун Хва Пак, главный научный сотрудник Группы метрологии новых материалов KRISS, сообщает, что в настоящее время для производства «зеленого» водорода требуется очищенная вода, но использование настоящей морской воды может существенно снизить затраты, связанные с опреснением, и что KRISS планирует продолжить исследования в этой области.
Это исследование было поддержано программой KRISS MPI Lab Program и проведено в сотрудничестве с командой профессора Хо Вон Чанга из Сеульского национального университета и командой доктора Сон Мук Чоя из Корейского института материаловедения. Результаты были опубликованы в июльском выпуске журнала «Applied Catalysis B: Environmental and Energy», ведущего журнала в области химической инженерии.
