Японські вчені створили дешевий каталізатор для водню

Команда з Тохоку створила ефективний неблагородний каталізатор, що працює понад 300 годин і наближає водень до цілі $2 за кг.

Дослідники з Університету Тохоку розробили інноваційну стратегію реконструкції поверхні катодів, що відкриває шлях до економічно доступного виробництва водневого палива та наближає людство до вирішення проблеми зміни клімату.

Реакція еволюції водню (HER, “процес електрохімічного вивільнення водню”) має величезний потенціал для створення екологічно чистого палива. Однак її масштабування від лабораторних умов до промислового виробництва залишалося серйозною проблемою. Основні перешкоди включали високу вартість та недостатню ефективність каталізаторів. Тому вчені зосередили свої зусилля на пошуку більш доступних та ефективних рішень.

Результати дослідження, опубліковані в журналі Advanced Energy Materials, демонструють прорив у технології виробництва водню. Розроблені катоди на основі неблагородних металів здатні підтримувати високу продуктивність понад 300 годин безперервної роботи. Це суттєвий прогрес порівняно з попередніми розробками.

Технологічні інновації

Дослідницька група зосередилася на фосфідах перехідних металів (TMPs, “сполуки фосфору з металами перехідної групи”). Ці матеріали виявляють перспективні каталітичні властивості та є економічно вигідною альтернативою благородним металам. Дослідники модифікували фосфід кобальту (CoP) фтором, що призвело до значного покращення його каталітичних властивостей.

Хенг Лю з Інституту передових матеріалів підкреслює значущість результатів: “Цей реконструйований Co є високоактивним, працює в кислих умовах і може підтримувати потужність близько 76 Вт протягом більш ніж 300 годин”. Такі показники наближають технологію до практичного застосування в промислових масштабах.

Модифікація поверхні каталізатора фтором дозволила створити P-вакансії в кристалічній решітці. Ці структурні дефекти формують активні центри, що прискорюють реакцію виділення водню. Для вивчення механізмів реконструкції поверхні дослідники використовували спектроскопію рентгенівського поглинання та комбінаційного розсіювання світла.

Економічна ефективність розробленої технології становить лише $2,17 за кілограм водню. Ця вартість надзвичайно близька до цільового показника у $2,00 за кг, встановленого Міністерством енергетики США на 2026 рік. Досягнення такого показника свідчить про потенціал для широкомасштабного впровадження технології.

Практичне застосування

Важливо відзначити, що дослідження виходить за межі лабораторних експериментів. Учені провели тестування розробленого каталізатора CoP|F-20 у повноцінних електролізерах комерційного масштабу. Випробування продемонстрували стабільну роботу системи протягом тривалого часу.

Електролізери з протонообмінною мембраною (PEM, “пристрої для розщеплення води за допомогою спеціальних мембран”) представляють перспективну технологію для масового виробництва водню. Нові катоди значно підвищують ефективність таких систем. Вони забезпечують стабільну генерацію водню навіть при високих щільностях струму.

Хенг Лю висловлює оптимістичне бачення майбутнього цієї технології: “Ми завжди думаємо про кінцеву мету, яка полягає в тому, щоб дослідження знайшли своє застосування в повсякденному житті. Це досягнення робить нас на крок ближчими до розробки більш реалістичних варіантів комерційного застосування ПЕМ”.

Запропонована стратегія реконструкції поверхні відкриває нові горизонти для розробки інших катодів на основі неблагородних металів. Це може стати основою для раціонального дизайну цілого класу високоефективних каталізаторів для водневої енергетики. Прогрес у цій галузі наближає людство до ери доступного та екологічно чистого водневого палива.