Исследователи из Сколковского института науки и технологий (Россия), Университета Техаса в Остине и Массачусетского технологического института (США) открыли новый катализатор, существенно повышающий эффективность электролитического разложения воды в щелочных растворах, сообщает пресс-служба Сколтеха.
Это один из ключевых процессов для производства возобновляемой и экологический чистой энергии на основе использования водорода.
«Дальнейший прогресс в увеличении активности катализаторов электролиза воды потребует дополнительной работы, полученные результаты уже привели к более глубокому пониманию механизмов работы таких катализаторов и позволили сформулировать стратегию их дизайна», — говорится в пресс— релизе.
Широкое применение электролиза воды в современной энергетике требует решения ряда технологических проблем, таких как высокое энергопотребление, высокая стоимость электролизеров (устройств для проведения электролиза) и ограниченный срок их работы. В частности, возможности крупномасштабного внедрения водородной энергетики ограничены высокой стоимостью катализаторов электролиза на основе благородных металлов, таких как платина и иридий.
«Если бы мы разработали катализатор разложения воды на водород и кислород на основе дешевых и доступных материалов, мы бы получили коммерчески выгодный метод производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии. Например, это позволило бы нам сконструировать автомобиль, работающий на воде, с пробегом, сопоставимым с пробегом автомобилей, использующих газ в качестве топлива, — утверждает первый автор работы Т. Меффорд. — Чтобы разработать такие катализаторы, мы должны на атомном уровне понять процессы и факторы, влияющие на их работу и характеристики».
Поиски идеального катализатора
Команда исследователей под руководством профессора Стивенсона синтезировала ряд перовскитоподобных (перовскит это один из редких земных минералов — титанат кальция) оксидов кобальта и лантана, свойства которых можно контролируемо изменять путем замещения части лантана на стронций. С помощью просвечивающей электронной микроскопии исследователи, в частности, профессор Артем Абакумов из Сколтеха, детально изучили структуру материалов на поверхности и в объеме кристаллов.
Потом полученные данные использовали для математического моделирования реакции электролиза воды в щелочных растворах, проведенного в МТИ. В результате команда сформулировала два наиболее важных критерия, определяющих функциональные свойства катализатора: степень ковалентности связи кобальт-кислород (энергетическая близость валентных электронов кобальта и кислорода) и концентрация кислородных вакансий (позиций в кристаллической структуре материала, которые должны были бы быть заняты атомами кислорода, но остаются вакантными в активном катализаторе).
Основываясь на этих критериях, команда Стивенсона предложила смешанный кислород-дефицитный оксид кобальта и стронция, SrCoO2.7, в качестве основы для катализатора, в 20 раз более активного в электролизе воды, чем лучший промышленный катализатор IrO2 при намного меньшей стоимости.
«Теперь в наших руках находится прототип улучшенного катализатора щелочного электролиза воды, дающий нам импульс для преодоления затруднений на пути к успешному внедрению электролизеров, топливных элементов и батарей» — считает профессор Стивенсон.
Работа ученых опубликована в журнале Nature Communications.
ТАСС
Автор публикации
