Ученые Корейского института передовых технологий разработали катализатор для получения водорода из воды, который по эффективности сопоставим с коммерческим платиновым аналогом, но содержит на 75% меньше драгоценного металла. Разработка может снизить потребность электролизеров в дорогостоящих компонентах, хотя ее экономические преимущества еще предстоит проверить в промышленном масштабе.
Для получения "зеленого" водорода воду разделяют на водород и кислород с помощью электричества, полученного из возобновляемых источников. Одним из препятствий для удешевления технологии является применение катализаторов на основе драгоценных металлов, которые ускоряют реакцию выделения водорода на электроде. Ученые ищут способы задействовать больше атомов металла, не увеличивая его расход.
Команда под руководством профессора Джинву Ли предложила структуру, которую авторы называют "соседствующие атомы в моноатомном слое". В ней рутений не собирается в крупные наночастицы и не распределяется только в виде изолированных одиночных атомов. Вместо этого на поверхности носителя размещаются небольшие группы по три-четыре атома, способные совместно участвовать в электрохимической реакции.
У обычных металлических наночастиц часть атомов оказывается внутри структуры и фактически не контактирует с реагентами. Одиночные атомы, напротив, используются более полно, но в некоторых реакциях им не хватает соседних активных центров. Новый подход призван объединить преимущества этих двух конфигураций. В качестве носителя ученые использовали карбид вольфрама, а закрепить атомные группы помогли молекулярные взаимодействия на стадии синтеза и контакт металла с подложкой при термообработке.
Дополнительную роль сыграла химическая среда вокруг активных центров. Гидроксильные группы на поверхности поддерживали сеть водородных связей между молекулами воды, облегчая перенос протонов. Благодаря этому ученые сумели ускорить реакцию выделения водорода, не прибегая к увеличению количества драгоценного металла.
В лабораторном электролизере с анионообменной мембраной катализатор обеспечил плотность тока 9,82 ампера на квадратный сантиметр при напряжении 2,0 вольта и температуре 80 oC. Этот показатель характеризует интенсивность электрохимического процесса на единицу площади электрода. Производительность была сопоставима с коммерческим платиновым катализатором при использовании лишь четверти массы драгоценного металла. Активность в расчете на единицу массы оказалась приблизительно в четыре раза выше.
Ученые проверили и устойчивость нового материала. В ходе непрерывного 500-часового испытания потеря производительности оказалась примерно вдвое меньше, чем у платинового образца, выбранного для сравнения.
Рутений также относится к драгоценным металлам, поэтому разработка не позволяет полностью избавиться от дорогого сырья.
Ученые рассчитывают, что принцип совместной работы небольших групп атомов можно будет использовать и при создании других катализаторов. Следующим этапом станет проверка устойчивости и производительности материала в более крупных установках при длительной работе.
