Ученые из Южной Кореи сконструировали новый катализатор на основе платины с никелевыми прослойками, который в течение трех тысяч часов способен разлагать воду и другие молекулы, выделяя водород с минимальным снижением производительности.
Компьютерное моделирование выявило, как расположение атомов в строго определенных узлах кристаллической решетки может препятствовать вымыванию никеля при электролизе воды. В обычных катализаторах атомы платины и никеля расположены хаотично, что приводит к вымыванию никеля при длительной эксплуатации. Разместив эти два элемента в упорядоченной интерметаллической структуре, ученые значительно повысили стабильность катализатора. Атомы никеля стали меньше подвергаться растворению. Эти теоретические данные были применены для синтеза катализатора и изготовления электродов для электролиза воды.
Катализатор был впервые синтезирован путем восстановления прекурсоров платины и никеля при низкой температуре с использованием боргидрида натрия (NaBH4). Его подвергли термообработке в атмосфере азота, чтобы предотвратить нежелательные реакции с воздухом и дать возможность атомам платины и никеля перестроиться в упорядоченную структуру. Полученный катализатор нанесли на катод, где в системе электролиза воды образуется водород. Затем была проведена постепенная оценка его эффективности, начиная с тестирования половины элементов и заканчивая тестированием трехэлементного блока большой площади.
Испытания подтвердили, что в новом катализаторе содержится значительно больше никеля, чем в обычном неупорядоченном катализаторе. После проверки на долговечность выяснилось, что неупорядоченный катализатор потерял примерно 54% от своего первоначального содержания никеля, а в новом катализаторе содержание никеля уменьшилось всего на 9%. Эти результаты демонстрируют, что упорядочение атомов эффективно подавляет выщелачивание никеля и помогает сохранить структуру катализатора при длительной эксплуатации.
Ученые также нанесли катализатор на трехэлементную батарею с активной площадью 64 см2 и непрерывно эксплуатировали ее в течение 3000 часов. Снижение производительности оставалось на уровне менее 2%, что свидетельствует о том, что катализатор может поддерживать стабильную работу в течение длительного времени в системе электролиза воды в реальных масштабах.
Водород рассматривается как перспективное экологически чистое топливо, поскольку при его применении в топливных элементах выделяется только вода. Платина является редким и дорогим металлом, поэтому увеличение срока службы катализаторов на ее основе важно для экономической эффективности водородных технологий.
