Электролиз воды - ключевой процесс для производства водорода, чистого топлива будущего. Он включает две основные реакции: выделение водорода на катоде (HER) и кислорода на аноде (OER). OER - более сложная и энергозатратная реакция, поэтому её катализаторы особенно важны.
Классификация катализаторов
Катализаторы для электролиза воды можно разделить на две категории:
- Для HER: отвечают за выделение водорода.
- Для OER: обеспечивают выделение кислорода.
Также укажу условия работы, эффективность и альтернативы на основе недрагоценных металлов.
Самые популярные катализаторы
1. NiFe-LDH - «король» OER в щелочной среде
Преимущества:
- Низкая перенапряжённость для OER (200 - 240 мВ).
- Низкая стоимость, используется дешёвые металлы.
- Стабильность при 60 - 80 °C.
Недостатки: не работает в кислой среде, деградирует при pH < 10.
Используется: в промышленных щелочных электролизёрах (например, в системах Cummins, Nel).
2. NiMo - лучший альтернативный HER-катализатор без платины
Особенности:
-Перенапряжение около 50–100 мВ.
-Работает в щелочной среде, часто используется с никелевой пеной для увеличения площади.
-Долговечность и масштабируемость.
Идеальное сочетание:
-Пара NiMo (катод) + NiFe-LDH (анод) - эталон для экономичного электролиза.
3. Pt/C и IrO₂ - премиум-класс
-Pt/C - лучший HER-катализатор, но дорогой (~30 000 $/кг).
-IrO₂ - самый эффективный OER-катализатор в кислой среде.
-Но есть проблема - иридий очень редкий металл.
Применение:
-PEM-электролизёры - высокая плотность тока и компактность.
Существует проблема ограниченные запасы из-за этого мотивирует на поиск альтернатив.
4. MoS₂ - перспективный HER-катализатор
Особенности:
-Высокая активность благодаря краям слоёв.
-Работает нейтральной и кислой среде.
-Широкое изучение (более 10 000 статей за 10 лет).
Недостатки:
-Низкая проводимость, требует подложки (графен, CNT).
5. CoPi - биомиметический катализатор
Особенности:
-Вдохновлён фотосистемой II растений.
-Работает при нейтральном pH, подходит для морской воды.
-Перенапряжённость около 300 мВ, высокая стабильность.
Применение:
-Исследовательские проекты, но пока не в промышленности.
Будущие тенденции
- Бифункциональные материалы: один материал для HER и OER.
- Использование морской воды: без предварительной очистки.
- Самовосстанавливающиеся катализаторы: материалы, способные «чинить» себя.
- ИИ и машинное обучение: для оптимизации структуры катализаторов.
Таким образом можно подвести итог:
Самые эффективные и популярные
Среди HER-катализаторов:
-Лидеры - Pt/C, NiMo, MoS₂.
Среди OER-катализаторов:
-Лидеры - IrO₂, NiFe-LDH, CoPi.
В науке и промышленности:
-Самые популярные - NiFe-LDH и NiMo. Они дешёвые, стабильные и эффективные.
Будущее - за недрагоценными материалами, способными работать в реальных условиях.
«Симуэль» - где наука становится будущим. Подписывайтесь. Пока вы ещё можете это понять.
