Исследователям удалось создать более эффективный катализатор для электролиза воды и получения «зелёного» водорода

Ограниченные запасы ископаемого топлива и растущая угроза изменения климата побуждают учёных разрабатывать новые технологии для производства экологически чистых видов топлива. Зелёный водород, который получают в результате электролиза воды с использованием возобновляемой электроэнергии, считается источником энергии будущего поколения. Но сейчас подавляющий объём водородного топлива получают при переработки ископаемого сырья, поскольку стоимость электролиза довольно высокая.

Изображение: nature.com

Поэтому исследователи в последнее время обращают внимание на одноатомные катализаторы, которые показывают значительно лучшую активность по сравнению с их аналогами на базе наноматериалов. Они могут обеспечить до 100 процентов использования атомов, а в наночастицах для взаимодействия во время реакции доступны лишь атомы на поверхности. Но здесь есть другая проблема. Из-за простоты центра, состоящего из одного атома металла, дальнейшая модификация катализаторов для проведения сложных реакций затруднительна.

Наиболее простым способом изменения отдельных атомов является их превращение в одноатомные димеры. Они объединяют в себе два разных атома вместе. Настройки активного центра однотонных катализаторов при использовании димеров позволит улучшить кинетику протекающей реакции, благодаря синергетическому эффекту между двумя разными атомами. До этого момента синтез и идентификация структуры одноатомного димера были разработаны лишь в концепции. На практике реализация данной системы было очень сложной.

За решение данной проблемы взялась исследовательская группа из Центра комплексной физики наноструктур Института фундаментальных наук (IBS), расположенного в университете Сунгюнкван (Южная Корея). Специалисты работали под руководством Ли Хёёна (LEE Hyoyoung). Исследователям удалось разработать атомно-дисперсную структуру димера Ni-Co, стабилизация которой была выполнена на углеродной подложке, легированной азотом. Они дали ей название: NiCo-SAD-NC. Результаты своих изысканий группа опубликовала здесь.

Один из авторов исследования — Ашвани Кумар (Ashwani Kumar) сказал, что им удалось синтезировать одноатомную димерную структуру Ni-Co на углеродном носителе, легированном азотом (N). Они сделали это путём захвата ионов Ni / Co в полидофаминовую сферу с последующим пиролизом с точно контролируемой N-координацией. Как говорит Ашвани Кумар, для успешной идентификации участков NiCo-SAD с атомной точностью они использовали современную просвечивающую электронную микроскопию и рентгеновскую абсорбционную спектроскопию.

Кроме того, исследователи обнаружили, что для получения димерной структуры лучшим условием является отжиг в течение двух часов при 800 °C в атмосфере аргона. Отмечается, что другие одноатомные димеры (например, CoMn и CoFe) также могут быть синтезированы с использованием того же метода. Это говорит об универсальности разработанной стратегии.

Исследователи оценили каталитическую эффективность полученной системы с точки зрения перенапряжения, которая требуется для запуска реакции выделения водорода. Они установили, что электрокатализатор NiCo-SAD-NC имеет сопоставимый уровень перенапряжения с современными коммерческими катализаторами на основе Pt в кислой и щелочной среде. Утверждается также, что система NiCo-SAD-NC показывает активность в 8 раз выше, чем у одноатомных катализаторов Ni/Co и гетерогенных наночастиц NiCo в щелочной среде. А в кислой среде полученный электрокатализатор достигает в 17 раз большей активности, чем одноатомные катализатор из кобальта. В 11 раз больше, чем одноатомный катализатор из никеля. И в 13 раз выше, чем у обычных наночастиц Ni/Co в кислой среде.

Учёные смогли продемонстрировать долговременную стабильность полученного катализатора. Они заявляют, что он способен стимулировать реакцию в течение 50 часов без изменений своей структуры. Сообщается, что NiCo-SAD-NC показывает превосходную диссоциацию воды и оптимальную адсорбцию протонов по сравнению с другими одноатомными димерами и одноатомными центрами Ni/Co. Он повышает pH-универсальную активность катализатора на основе моделирования теории функционала плотности.

Руководитель исследовательской группы Ли Хёён сказал, что новая структура NiCo-SAD-NC обеспечивает диссоциацию молекулы воды с гораздо более низким энергетическим барьером. При этом катализатор ускоряет реакции выделения водорода в кислой и щелочной среде с характеристиками, которые сопоставимы с результатами при использовании платинового катализатора. Это позволяет устранить недостатки одноатомных катализаторов из Co и Ni. По его словам, ему удалось решить давнюю проблему синтеза подобной одноатомной димерной структуры.

Ли Хёён поясняет, что проведённые исследования приближают время безуглеродной, экологически чистой, водородной экономики. По его словам, разработанный недорогой высокоэффективный электрокатализатор позволит преодолеть проблему рентабельного производства «зелёного» водорода. С его помощью можно будет запускать высокоэффективный экологически чистый водород для коммерческого использования без использования ископаемых ресурсов, не загрязняя окружающую среду.