Водородная энергетика становится ключевым направлением на пути к чистому и устойчивому будущему, предлагая альтернативу ископаемому топливу с нулевым уровнем выбросов. Несмотря на многообещающие перспективы, крупномасштабное производство водорода по-прежнему во многом зависит от дорогих катализаторов на основе платины, что делает доступность серьезной проблемой для отрасли.
Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи из Токийского научного университета (TUS) разработали новый катализатор выделения водорода – координационные нанолисты бис(диимино)палладия (PdDI), который обеспечивает эффективность, сравнимую с платиной, но при значительно меньших затратах. Их новаторское исследование, опубликованное в томе 31, выпуск 6 журнала Chemistry – A European Journal, было также выбрано в качестве «Обложки» журнала, что подчеркивает его значимость для развития устойчивого производства водорода.
Исследование проводилось под руководством доктора Хироаки Маэда и профессора Хироши Нишихара из TUS в сотрудничестве с известными исследователями из Токийского университета, Японского научно-исследовательского института синхротронного излучения, Киотского технологического института, Центра RIKEN SPring-8 и Национального института материаловедения Японии. Это открытие знаменует собой прорыв в технологии реакции выделения водорода (HER), которая является ключевым процессом в производстве экологически чистого водорода. HER происходит в процессе электролитического расщепления воды для генерации водорода. Каталитические электроды HER, традиционно изготавливаемые из платины, облегчают превращение атомарного водорода ([H]), образующегося на поверхности электрода во время расщепления воды, в газообразный водород (H₂). Хотя платина (Pt) как катализатор HER очень эффективна, ее дефицит и высокая стоимость существенно увеличивают производственные затраты, ограничивая ее широкое применение.
Используя простой процесс синтеза и ограниченное количество драгоценных металлов, исследовательская группа предложила высокоэффективную альтернативу Pt-катализаторам. Команда создала нанолисты на основе палладия, которые позволили максимизировать каталитическую активность при минимальном использовании металла, что привело к значительному снижению затрат, связанных с производством H₂.
Доктор Маэда, ведущий исследователь, отмечает, что разработка эффективных электрокатализаторов HER является ключом к устойчивому производству H₂. Он сообщает, что координационные нанолисты бис(диимино)металла с их высокой проводимостью, большой площадью поверхности и эффективным переносом электронов являются многообещающими кандидатами. Кроме того, добавляет он, редкое расположение атомов металла в них снижает расход материала. Доктор Маэда подытоживает, что им успешно удалось разработать эти нанолисты с использованием палладия.
Команда разработала нанолисты PdDI (C-PdDI и E-PdDI) с использованием двух различных методов: синтеза на границе раздела газ-жидкость и электрохимического окисления, соответственно. После активации листы E-PdDI продемонстрировали низкое перенапряжение в 34 мВ, аналогичное перенапряжению платины в 35 мВ, что означает, что для производства водорода требовалось очень мало дополнительной энергии. Плотность тока обмена 2,1 мА/см² также соответствовала каталитическим характеристикам платины. Таким образом, результаты ставят E-PdDI в ряд наиболее эффективных катализаторов HER, разработанных на сегодняшний день, что делает его многообещающей недорогой альтернативой платине.
Одним из важнейших аспектов любого катализатора является его долговременная стабильность. Эти нанолисты PdDI продемонстрировали превосходную долговечность, оставаясь неповрежденными после 12 часов пребывания в кислых условиях, что подтверждает их пригодность для реальных систем производства водорода. Доктор Маэда объясняет, что их исследование приближает нас на один шаг к тому, чтобы сделать производство H₂ более доступным и устойчивым, что является решающим шагом для достижения будущего чистой энергии.
Кроме того, благодаря минимизации зависимости от дефицитной и дорогостоящей платины, нанолисты PdDI согласуются с Целями устойчивого развития ООН (ЦУР): ЦУР 7 – содействие доступной и чистой энергии, ЦУР 9 – промышленность, инновации и инфраструктура. Результаты этого исследования выходят за рамки лабораторных экспериментов. Масштабируемость, повышенная активность и экономическая эффективность нанолистов PdDI делают их очень привлекательными для промышленного производства водорода, водородных топливных элементов и крупномасштабных систем хранения энергии.
Кроме того, замена катализаторов на основе платины на PdDI может сократить выбросы, связанные с добычей полезных ископаемых, ускоряя переход к устойчивой водородной экономике. Плотность атомов палладия в десять раз меньше, чем атомов Pt, что снижает зависимость от драгоценного металла Pt и способствует экономичному производству электродов. Ожидается, что замена Pt на нанолисты PdDI даст отличные результаты в автомобилестроении, производстве водорода и производстве электродов.
По мере продвижения исследований команда TUS стремится к дальнейшей оптимизации нанолистов PdDI для коммерциализации, способствуя развитию экологически чистого водородного общества.
