Новий каталізатор зменшує витрати, пов’язані з отриманням безпечного водню з води

Велика кількість чистої енергії ховається на очах. Це водень, який можна добути з води (H₂O) за допомогою відновлюваної енергії. Дослідники шукають економічно ефективні стратегії отримання чистого водню з води, щоб витіснити викопне паливо та боротися зі зміною клімату.

Водень є потужним джерелом енергії для транспортних засобів, викидає лише воду. Він також відіграє вирішальну роль у кількох промислових процесах, зокрема у виробництві сталі та аміаку. Використання більш чистого водню в цих галузях було б надзвичайно корисним.

Багатовідомча команда під керівництвом Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) розробила недорогий каталізатор для процесу, який дає чистий водень із води. Інші учасники включають Національні лабораторії Sandia та Національну лабораторію імені Лоуренса Берклі, а також Giner Inc.

«Процес, званий електролізом, утворює водень і кисень із води, і існує вже більше століття», — сказав Ді-Цзя Лю, старший хімік Argonne. Він також проводить спільне призначення в Прітцкерівській школі молекулярної інженерії Чиказького університету.

Електролізери з протонною обмінною мембраною (PEM) представляють нове покоління технології для цього процесу. Вони можуть розщеплювати воду на водень і кисень з більшою ефективністю при температурі, близькій до кімнатної. Зменшений попит на енергію робить їх ідеальним вибором для виробництва чистого водню за допомогою відновлюваних, але періодичних джерел, таких як сонце та вітер.

Старший хімік Ді-Цзя Лю перевіряє зразок каталізатора всередині трубчастої печі після термічної обробки, а постдок Ченьчжао Лі несе реактор під тиском для синтезу каталізатора. Авторство: Аргонська національна лабораторія

Цей електролізер працює з окремими каталізаторами для кожного з електродів (катода та анода). Катодний каталізатор виділяє водень, анодний – кисень. Проблема полягає в тому, що анодний каталізатор використовує іридій, поточна ринкова ціна якого становить близько 5000 доларів за унцію. Відсутність пропозиції та висока вартість іридію є основною перешкодою для широкого впровадження електролізерів з ПЕМ.

Основним інгредієнтом нового каталізатора є кобальт, який значно дешевший за іридій. «Ми прагнули розробити недорогий анодний каталізатор в електролізері PEM, який генерує водень з високою продуктивністю, споживаючи мінімальну енергію», — сказав Лю. «Використовуючи каталізатор на основі кобальту, виготовлений за нашим методом, можна було б усунути основне вузьке місце у витратах на виробництво чистого водню в електролізері».

Giner Inc., провідна дослідницько-конструкторська компанія, що працює над комерціалізацією електролізерів і паливних елементів, оцінила новий каталізатор за допомогою своїх станцій для тестування електролізерів PEM у промислових умовах експлуатації. Ефективність і довговічність значно перевершують показники каталізаторів конкурентів.

Важливим для подальшого вдосконалення продуктивності каталізатора є розуміння механізму реакції в атомному масштабі в умовах роботи електролізера. Команда розшифрувала критичні структурні зміни, які відбуваються в каталізаторі в робочих умовах, використовуючи рентгенівський аналіз на Advanced Photon Source (APS) в Аргоні. Вони також визначили ключові особливості каталізатора за допомогою електронної мікроскопії в Sandia Labs і в Аргоннському центрі нанорозмірних матеріалів (CNM). APS і CNM є користувальницькими засобами Управління науки DOE.

«Ми зобразили атомну структуру на поверхні нового каталізатора на різних етапах підготовки», — сказав Цзяньго Вень, науковець з матеріалів Аргонна.

Крім того, обчислювальне моделювання в лабораторії Берклі виявило важливі відомості про довговічність каталізатора в умовах реакції.

«У більш загальному плані наші результати встановлюють багатообіцяючий шлях вперед у заміні каталізаторів, виготовлених із дорогих дорогоцінних металів, елементами, які набагато дешевші та більш поширені», — зазначив Лю. Джерело