Новый катализатор из Японии удешевит производство чистого водорода

Производство чистого водородного топлива, которое рассматривается как важная часть решения проблемы изменения климата, сталкивается с трудностями при переходе от лабораторных экспериментов к крупномасштабному коммерческому производству при сохранении низкой стоимости. Реакция выделения водорода (HER), ключевой этап этого процесса, требует эффективных и недорогих катализаторов.

Исследователи из Университета Тохоку в Японии сообщили о разработке нового подхода к созданию долговечных катодов на основе неблагородных металлов, которые значительно ускоряют реакцию выделения водорода. Результаты их работы были опубликованы в журнале Advanced Energy Materials. Эти катоды способны сохранять свою эффективность более 300 часов, а расчетная стоимость производства водорода с их использованием приближается к целевому показателю Министерства энергетики США на 2026 год, составляющему 2,00 доллара США за килограмм.

В своих поисках путей улучшения реакции HER, которая обычно протекает медленно и неэффективно, ученые сосредоточились на фосфидах переходных металлов (TMPs). Эти материалы представляют собой перспективные катализаторы, поскольку они долговечны, экономичны и не содержат дорогих благородных металлов, традиционно используемых в этой области. Исследователи признали существование пробела в знаниях о применении именно неблагородных металлов для HER и решили его восполнить.

Команда подготовила фосфид кобальта, модифицированный фтором (F-CoP), и детально изучила процессы перестройки его поверхности и истинные активные центры реакции с помощью методов рентгеновской абсорбционной спектроскопии и рамановской спектроскопии непосредственно во время реакции. Было установлено, что введение атомов фтора в решетку фосфида кобальта приводит к образованию вакансий на месте атомов фосфора на поверхности. Эти вакансии создают дополнительные активные центры, которые эффективно ускоряют процесс выделения водорода.

Хэн Лю из Института передовых исследований материалов (WPI-AIMR) Университета Тохоку пояснил, что полученный материал с реконструированной поверхностью кобальта обладает высокой активностью, стабильно работает в кислой среде и способен поддерживать производительность на уровне около 76 Вт в течение более 300 часов. Он добавил, что ученые приближаются к разработке доступного метода производства топлива. Расчетная стоимость производства водорода с использованием этого метода составляет 2,17 доллара США за килограмм, что всего на 17 центов превышает текущий целевой показатель, установленный Министерством энергетики США на 2026 год.

Исследование показало, что поверхностная реконструкция катода из модифицированного фтором фосфида кобальта существенно повышает его активность. Важно отметить, что выводы были подтверждены не только в лабораторных условиях с использованием стандартной трехэлектродной ячейки, но и показали применимость для коммерческих электролизеров с протонно-обменной мембраной (PEM). Эти результаты представляют собой значительный прогресс в области исследования катализаторов для HER и могут стать основой для целенаправленной разработки новых высокоэффективных катодов на основе неблагородных металлов. Хэн Лю также отметил, что конечной целью подобных исследований всегда является внедрение научных разработок в повседневную жизнь, и данное достижение приближает создание более реалистичных и экономически целесообразных решений для коммерческого применения технологии PEM.