Корейские исследователи придумали, как в электролизере заменить платину на смесь кобальта и железа, при этом не потеряв в надежности.
Группа исследователей под руководством Сон Мук Чхве из Отдела исследований материалов для энергетики и окружающей среды Корейского института материаловедения объединилась с коллегами из Чханвонского национального университета во главе с профессором Сын Хва Ли. Вместе они создали новый катализатор для реакции выделения кислорода, который не содержит драгоценных металлов. Этот катализатор имеет многослойную структуру, специально разработанную для работы в щелочных электролизерах с анионообменной мембраной. Ученым удалось не просто заменить дорогое сырье, а предложить свежий подход к проектированию, который позволяет добиться и высокой эффективности, и долгого срока службы одновременно. Обычно приходится жертвовать чем-то одним, но здесь этого удалось избежать.
Подробности опубликованы в издании ACS Nano.
Водород получают разными способами. Один из перспективных методов — электролиз воды в щелочной среде с использованием анионообменной мембраны. У этой технологии важное преимущество: она позволяет обходиться неблагородными металлами, которые стоят заметно дешевле платины или иридия. Более того, такие системы считаются безопаснее некоторых других конструкций. Именно поэтому вокруг АЕМ-электролизеров сегодня столько шума — их рассматривают как основу для недорогого и чистого водородного производства.
Но до недавнего времени была загвоздка. Чтобы полностью отказаться от благородных металлов в реальных устройствах, не хватало подходящего катализатора для реакции выделения кислорода на аноде. Катализаторы на основе переходных металлов, например, кобальта или никеля, вроде бы подходили по цене, но быстро деградировали. После нескольких часов работы их структура разрушалась, металл вымывался в раствор, и активность падала. Без стабильности речи о практическом применении не шло.
Корейские ученые пошли другим путем. Они создали оксигидроксид на основе кобальта и железа с упорядоченной слоистой структурой. Но главное — они научились управлять его свойствами сразу на двух уровнях. Во-первых, они изменили электронное состояние центров кобальта, добавив железо. Это сделало поверхность каталитически более активной. Во-вторых, они настроили сами пути прохождения реакции, чтобы промежуточные соединения легче прикреплялись к поверхности и так же легко отрывались от нее. В итоге катализатор показывает высокие токи даже при небольшом перенапряжении, а при длительной работе его структура не разрушается.
Однако при введении железа возникала другая опасность: сам процесс легирования мог вызвать коррозию и ослабить структуру. Чтобы этого избежать, исследователи применили собственный метод мягкого химического окисления поверхности. Они буквально «законсервировали» верхний слой катализатора так, что он стал устойчивым в щелочной среде и при этом идеально подходил для реакции кислорода.
Самое важное, что разработку проверили не в лабораторной пробирке, а в реальном электролизере — в составе готового элемента. Это принципиальный шаг. В науке часто бывает, что отличный катализатор на тестах в половинной ячейке показывает чудеса, но стоит собрать полноценное устройство, как все идет не по плану. Здесь же катализатор подтвердил свои характеристики в условиях, близких к промышленным. Это серьезно приближает технологию к выходу на рынок.
Если все пойдет по плану, такие электролизеры станут значительно дешевле. Сейчас основная статья расходов в аналогичных устройствах — это дорогие металлы для электродов. Замена их на кобальт с железом может снизить стоимость катализаторной части кратно. Для промышленности это означает удешевление водорода. Для обычного человека — потенциально более доступное топливо или системы хранения энергии. Правда, пока речь идет о демонстраторе, а не о серийном изделии. Технология только что прошла проверку на уровне лабораторного прототипа. Первые коммерческие устройства появятся не раньше, чем через несколько лет.
Руководитель работы доктор Чхве назвал это исследование примером того, как структурный дизайн помогает обойти ограничения неблагородных катализаторов. Он пообещал и дальше работать над ускорением коммерциализации зеленого водорода и внедрением в жизнь концепции водородной экономики.
Разработка обходится относительно недорого, потому что не требует платины или других редких металлов. Стоимость сырья — кобальт и железо — в сотни раз ниже. Но это не значит, что технология уже дешевая. Самое дорогое сейчас — это мембраны и производственное оборудование. Для промышленности выгода очевидна: снижение затрат на материалы электродов.
До этой работы в области АЕМ-электролизеров пытались использовать множество разных катализаторов. Большинство исследований застревало на стадии полуэлементных тестов. Другие демонстрировали хорошую активность, но рассыпались за сотню часов. Отличие новой работы в том, что она закрывает оба вопроса сразу — и активность, и стабильность, да еще и на уровне полноценного электролизера. Это не просто уточнение деталей, а заметный сдвиг. Однако до революции в промышленности пока далеко — это лабораторный успех, а не заводской стандарт.
Главные конкуренты — это традиционные катализаторы на основе иридия и рутения, которые работают в кислотных электролизерах. Они активнее и надежнее, но стоят запредельно дорого. Среди неблагородных аналогов чаще всего упоминают никель-железные системы — они дешевы и довольно активны, но нестабильны при высоких плотностях тока. Новая разработка выигрывает именно в стабильности: она сохраняет структуру там, где другие разрушаются. По активности она может уступать лидерам из класса перовскитов, но те сложны в синтезе и воспроизведении. Слабое место — чувствительность к чистоте воды и масштабируемость синтеза, пока не отработанную в промышленных реакторах.
Ранее российские ученые разработали катализатор для водорода в 7 раз лучше аналогов.