Южнокорейские учёные разработали более совершенный интерфейс электрода, который обеспечивает эффективное производство водорода без использования дорогостоящих металлов.
Поскольку мир стремится к внедрению решений в области чистой энергии, водород становится ведущим кандидатом для декарбонизации (снижение выбросов углекислого газа) всего — от тяжёлой промышленности до междугородних перевозок.
Среди различных методов производства, протонообменная мембранная электролизная установка (PEMWE) выделяется тем, что генерирует водород высокой чистоты, используя только воду и электричество.
Однако, несмотря на свои перспективы, PEMWE сталкивается с дорогостоящим «узким местом» из-за зависимости от редких и дорогих металлов, как платина и иридий. Корейские исследователи, возможно, только что нашли выход из этой ситуации.
Команда под руководством профессора Хи-Така Кима из KAIST (Корейский передовой институт науки и технологий), работающая совместно с доктором Гису Ду из Корейского института энергетических исследований (KIER), разработала новый метод, который обеспечивает высокую производительность PEMWE без платинового покрытия.
Их результаты могут значительно снизить производственные затраты и ускорить внедрение водорода как основного топлива по всему миру.
Читайте: Новый метод эффективного получения Водорода из морской воды
Скрытая недостатки систем PEMWE
Элементы PEMWE используют оксид иридия (IrOx) в качестве катализатора для реакции выделения кислорода (OER, англ. Oxygen Evolution Reaction — электрохимическая реакция, в результате которой из воды выделяется молекулярный кислород).
Хотя IrOx обладает высокой активностью, он не проявляет свой полный потенциал без платины, что является дорогостоящим дополнением. Команда учёных обнаружила, что плохой транспорт электронов вызван структурными проблемами внутри интерфейса электрода.
Они выявили ключевую проблему, известную как эффект «отсечки» (pinch-off effect — явление, при котором электрический ток перестаёт течь из-за сужения канала проводимости). Он возникает там, где встречаются катализатор IrOx, иономер (твёрдый электролит, способный проводить ионы), и титановая подложка.
Иономер, хотя и необходим для проведения ионов, действует как электрический изолятор вокруг мелких частиц катализатора. А когда иономер соприкасается с титановой подложкой, на оксидном слое образуется барьер, ухудшающий проводимость.
Более крупные частицы катализатора решают проблему
Чтобы преодолеть это, исследователи изменили одну переменную: размер частиц катализатора.
Они изготовили катализаторы IrOx различных диаметров и оценили их с использованием реальных одиночных элементов PEMWE и компьютерных симуляций. Результаты были поразительными.
Частицы размером более 20 нанометров (нм, англ. nanometer — единица измерения длины, равная одной миллиардной доле метра) создавали меньше зон «отсечки». Это позволяло электронам свободнее перемещаться между катализатором и подложкой, восстанавливая производительность без какой-либо платины.
Впервые было доказано, что один только размер частиц способен значительно улучшить проводимость в системах PEMWE.
Корейская команда не остановилась на достигнутом. Они также оптимизировали структуру каталитического слоя. Их дизайн снизил помехи от иономера, сохраняя при этом высокую каталитическую активность.
Это нарушило давний компромисс между активностью и проводимостью — двумя факторами, которые ранее считались взаимоисключающими. Разработав интерфейс на микроскопическом уровне, они добились как высокой реакционной способности, так и низкого сопротивления, даже без платины.
На пути к более дешёвому водороду
«Это исследование представляет новую стратегию проектирования интерфейса, которая может решить проблему межфазной проводимости, бывшее узким местом в высокопроизводительной технологии электролиза воды», — сказал профессор Ким.
«Обеспечивая высокую производительность даже без таких дорогих материалов, как платина, это станет ступенькой на пути к реализации водородной экономики».
Исследование открывает перспективы для более дешёвых систем электролиза, и укрепляет позиции Южной Кореи в глобальных усилиях по созданию устойчивой энергетики.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU