Международная группа исследователей с участием МИЭМ НИУ ВШЭ создала катализатор, который позволяет получать водород из воды быстро и с минимальными затратами. Для этого ученые синтезировали наночастицы сложного оксида из шести металлов и закрепили их на разных подложках. Катализатор на слоях восстановленного графена оказался почти втрое эффективнее по сравнению с тем же оксидом без подложки. Разработка может сделать производство водорода дешевле и приблизить переход к зеленой энергетике.
Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Energy Materials. Работа выполнена в рамках гранта РНФ.
Сегодня все больше стран ищут способы перейти на экологичные источники энергии. Одним из кандидатов стал водород, так как при его использовании не образуется углекислый газ, что важно для снижения объема выбросов. Получать водород можно с помощью электролиза — процесса, при котором электричество разлагает воду на кислород и водород. Но есть сложность: стадия выделения кислорода протекает медленно и требует дополнительной энергии, а значит, делает производство водорода менее выгодным. А чтобы ускорить этот процесс, нужны катализаторы из редких и дорогих металлов вроде платины или рутения.
Авторы статьи «High Entropy (CoFeMnCuNiCr)3O4 Nanoparticles Anchored on Graphene-Based Supports for High-Performance Oxygen Evolution Electrocatalysis» предложили более доступную и устойчивую альтернативу — высокоэнтропийный оксид. В работе участвовали исследователи из МИЭМ НИУ ВШЭ, Казанского федерального университета, Южно-Уральского государственного университета, а также Института энергетических исследований Каталонии (IREC), ICREA (Барселона) и Тебризского университета.
«В ходе синтеза мы соединили в одной кристаллической решетке сразу несколько металлов: кобальт, железо, марганец, медь, никель и хром. Благодаря этому на поверхности образовывалось много рабочих точек, где реакция шла быстрее, а сама структура меньше разрушалась со временем», — комментирует научный сотрудник Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ Ахмад Остовари.
Исследователи синтезировали оксид в форме наночастиц и закрепили их на разных углеродных подложках: графите, графеновом оксиде и восстановленном графеновом оксиде. Последний вариант оказался самым удачным: он обеспечил равномерное распределение наночастиц, предотвратил их слипание и повысил электропроводность.
Также катализатор на основе восстановленного графена показал самый низкий оверпотенциал — всего 290 мВ против 770 мВ у исходного материала. Оверпотенциал — это разность между реальным и теоретическим потенциалом реакции, и чем он ниже, тем эффективнее катализатор и тем легче протекает реакция.
Испытания подтвердили, что катализатор сохраняет эффективность на протяжении 12 часов непрерывной работы и хорошо проводит электричество. Это заметный прогресс для лабораторных тестов. Авторы считают, что такие свойства делают его перспективным кандидатом для будущих промышленных электролизеров, хотя для практического внедрения потребуются более длительные проверки.
«Мы показали, что комбинация высокоэнтропийных оксидов и восстановленного графена позволяет преодолеть ограничения традиционных катализаторов. Такое решение объединяет высокую активность, стабильность и относительную дешевизну», — комментирует профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Андрей Васенко.