Ученые разработали бифункциональный катализатор электролиза воды для высокоэффективного и стабильного производства экологически чистого водорода. Катализатор демонстрирует долговечность даже в очень агрессивных кислых средах — он стабильно работал даже спустя 100 часов. Благодаря использованию рутения, кремния и вольфрама катализатор более экономичный по сравнению с традиционными платиновыми или иридиевыми. Кроме того, он выделяет значительно меньше парниковых газов.
Производство водорода путем электролиза воды считается ключевой технологией для достижения углеродной нейтральности. Во время этого процесса вода распадается на составляющие ее элементы — водород (H2) и кислород (O2) — под воздействием электрического тока. Это позволяет производить экологически чистый водород без выбросов углекислого газа. В качестве катализатора используются платина и иридий, но они имеют ограниченные ресурсы и высокую стоимость.
Исследовательская группа Ульсанского национального института науки и технологий и Корейского института передовых технологий сосредоточилась на поиске альтернатив катализаторам из драгоценных металлов, которые проявляют стабильность в кислых средах. Внимание ученых привлек рутений, поскольку это экологически чистый металл с относительно низкой себестоимостью и сниженными выбросами парниковых газов по сравнению с платиной и иридием. Однако его коммерциализация стала проблематичной из-за его меньшей каталитической активности по сравнению с платиной и ограниченной стабильностью по сравнению с иридием.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа разработала катализатор на основе рутения, кремния и вольфрама. Ученые улучшили функцию рутениевого катализатора, который обычно проявляет низкую стабильность как в реакции выделения водорода, так и в реакции выделения кислорода. В результате команда продемонстрировала потенциал этого катализатора как бифункционального, то есть способного эффективно участвовать в обеих реакциях.
Новый катализатор содержит вольфрам и кремний вокруг атома рутения. Это позволило повысить его способность ускорять реакцию путем более эффективной адсорбции протонов на поверхности катализатора. Новый катализатор показал большую активность в реакции выделения водорода по сравнению с коммерчески доступными платиновыми катализаторами. Дополнительно тонкая пленка из вольфрама толщиной 5–10 нм защищает каталитический центр рутения, улучшая его стабильность.
Исследователи провели эксперимент по стабильности катализатора. Используя кислый электролит (с кислотностью 0,3), они подали ток 10 мА на электрод. Разработанный катализатор продемонстрировал стабильную работу даже спустя 100 часов.
Разработка может заменить дорогостоящие платину и иридий. Ожидается, что катализатор будет применяться в системах производства экологически чистого водорода, таких как электролизеры PEM, поскольку он может быть легко и стабильно синтезирован даже в агрессивных кислых условиях.
