Исследователи Корейского института передовых технологий (KAIST) разработали катализатор для получения водорода из воды, который по эффективности сопоставим с коммерческим платиновым аналогом, но содержит на 75% меньше драгоценного металла. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications. Разработка может снизить потребность электролизёров в дорогостоящих компонентах, хотя её экономические преимущества ещё предстоит проверить в промышленном масштабе.
Для получения так называемого зелёного водорода воду разделяют на водород и кислород с помощью электричества, произведённого из низкоуглеродных источников. Одно из препятствий для удешевления технологии — применение катализаторов на основе драгоценных металлов, которые ускоряют реакцию выделения водорода на электроде. Учёные ищут способы задействовать больше атомов металла, не увеличивая его расход.
Команда под руководством профессора Джинву Ли предложила структуру, которую авторы называют atom-layer neighbors — «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 традиционных 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 исследователи использовали карбид вольфрама, а закрепить атомные группы помогли молекулярные взаимодействия на стадии синтеза и взаимодействие 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 исследователи сумели ускорить реакцию выделения водорода, не прибегая к увеличению количества драгоценного металла.
В лабораторном электролизёре с анионообменной мембраной катализатор обеспечил плотность тока 9,82 ампера на квадратный сантиметр при напряжении 2,0 вольта и температуре 80°C. 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 расчёте на единицу массы оказалась приблизительно в четыре раза выше.
Исследователи 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 делает получение водорода полностью независимым от дорогого сырья.
Авторы рассчитывают, что принцип совместной работы небольших групп атомов можно будет использовать и при создании других электрокатализаторов. Следующим этапом станет проверка устойчивости и производительности материала в более крупных установках и при длительной работе.
