Исследователи разработали новую методику для более эффективного производства «зеленого» водорода

Исследователи разработали новый процесс и материал катализатора для расщепления воды, что позволяет увеличить эффективность производства «зелёного» водорода. Сообщается, что это приближает промышленный выпуск водорода в качестве элемента для хранения возобновляемой энергии. Так называемый зелёный водород считается перспективным носителем энергии и одним из вариантов хранения возобновляемой энергии, солнечной и ветровой. Его производство не даёт выбросов углерода в атмосферу, но на данный момент эта технология является сложной и дорогостоящей.

Предложенные менее дорогие и более прочные материалы

В настоящее время при электролизе в качестве катализаторов используются дорогие благородные металлы (иридий и платина). Это редкие дорогостоящие элементы, что тормозит широкомасштабное производство «зелёного водорода». По данным фирмы Wood Mackenzie, на 2020 год производство водорода по этой технологии составляло менее 1% всего годового производства H₂.

Исследовательская группа из Технологического института Джорджии надеется сделать эту технологию менее дорогостоящей за счёт использования гибридных материалов в качестве катализатора. Руководитель группы учёных, которая занималась исследованием, Сын Ву Ли (Seung Woo Lee) говорит, что проведённая ими работа позволит сократить использование благородных металлов, а также повысить активность катализаторов и варианты их использования.

Подробности исследования и его результаты были опубликованы здесь. Там Ли и его команда  подчёркивают взаимодействие между оксидом и наночастицами металла для разработки высокоэффективных гибридных катализаторов. Исследователи отмечают, что разработали новый класс катализаторов, имеющий оксидную подложку, в которой используется значительно меньше дорогостоящих благородных элементов. По их словам, гибридные катализаторы показали превосходные характеристики для расщепления воды на водород и кислород.
 

Анализ на уровне нанометров

Проведенная работа опиралась на вычисления и моделирование, сделанные Корейским институтом энергетических исследований, а также рентгеновские измерения от Национального университета Кёнпук и Университета штата Орегон. Для проведения рентгеновских исследований был использован синхротрон, который сделал суперрентгеновский снимок размером с футбольное поле. Благодаря использованию рентгеновских лучей, учёные смогли отследить структурные изменения в катализаторе в нанометровом масштабе во время процесса расщепления воды.

Один из авторов исследования, научный сотрудник GTRI Джинхо Пак (Jinho Park), сказал, что полученные результаты помогут снизить стоимость оборудования, которое используется при производстве зелёного водорода. Помимо разработки гибридных катализаторов, им удалось усовершенствовать управление формой катализаторов и взаимодействием металлов в них. Основными приоритетами в этом исследовании были сокращение использования катализатора в системе, а также повышение его долговечности. Именно катализатор составляет основную часть стоимости оборудования.

Джинхо Пак добавляет, что разработанный катализатор планируется использовать в течение длительного времени без ухудшения характеристик. Исследование заключалось не только в создании нового катализатора, но также в понимании реакции, лежащий в основе процесса. Он уверен, что проделанная работа поможет в фундаментальном понимании реакции расщепления воды на катализаторах и поможет в исследованиях других учёных в этом направлении.
 

Форма катализатора имеет значение

По словам Парка, ключевым открытием в процессе исследования стала роль формы катализатора в производстве водорода. Он говорит, что структура поверхности катализатора должна быть оптимизирована для расщепленная воды на кислород и водород. Учёные пытаются поставить под контроль форму катализатора, а также существующее взаимодействие между атомами металлами в нём и материалом подложки.

В своей работе ученые также отмечают, в какой из сфер их наработки могут принести пользу в первую очередь. Например, называются водородные станции для электромобилей на топливных элементах. Сейчас такие работают только на территории штата Калифорния (США). Кроме того, исследование может принести пользу при разработке микросетей. Речь идет о новом подходе к проектированию и эксплуатации электрических сетей, основанных на питании от возобновляемых источников энергии.