Снижение выбросов парниковых газов и борьба с изменением климата
Для сокращения выбросов парниковых газов и борьбы с изменением климата миру срочно нужны чистые и возобновляемые источники энергии. Водород — один из таких источников, который не содержит углерода и хранит гораздо больше энергии на единицу веса, чем бензин.
Электрохимическое расщепление воды
Один из перспективных методов производства водорода — электрохимическое расщепление воды, процесс, в котором электричество используется для разложения воды на водород и кислород. В сочетании с возобновляемыми источниками энергии этот метод предлагает устойчивый способ производства водорода и может способствовать сокращению выбросов парниковых газов.
Проблема высокой стоимости производства
К сожалению, крупномасштабное производство водорода этим методом в настоящее время невозможно из-за необходимости использования катализаторов из дорогих редкоземельных металлов. Поэтому исследователи изучают более доступные электрокатализаторы, например, из различных переходных металлов и соединений.
Фосфиды переходных металлов
Среди них фосфиды переходных металлов (ТПМ) привлекли значительное внимание в качестве катализаторов для производства водорода в процессе, известном как реакция выделения водорода (РВВ), благодаря своим благоприятным свойствам. Однако они плохо работают в реакции выделения кислорода (РВО), что снижает общую эффективность.
Предыдущие исследования показывают, что добавление бора (B) в ТПМ может улучшить их работу в РВВ и РВО, но до сих пор создание таких материалов было сложной задачей.
Новый тип регулируемого электрокатализатора
В недавнем прорыве исследовательская группа под руководством профессора Сонгхёна Ли, включая господина Дуна Чана Ча, из кампуса Hanyang University ERICA в Южной Корее, разработала новый тип регулируемого электрокатализатора с использованием легированных бором нанолистов фосфида кобальта (CoP).
Профессор Ли объясняет: «Мы успешно разработали наноматериалы на основе фосфида кобальта, регулируя содержание бора и фосфора с помощью металлоорганических каркасов. Эти материалы имеют лучшие характеристики и более низкую стоимость, чем обычные электрокатализаторы, что делает их пригодными для крупномасштабного производства водорода».
Их исследование было опубликовано в журнале Small.
Инновационная стратегия создания материалов
Исследователи использовали инновационную стратегию для создания этих материалов, используя металлоорганические каркасы на основе кобальта (Co-MOF). «MOF являются отличными предшественниками для проектирования и синтеза наноматериалов с требуемым составом и структурой», — отмечает господин Ча.
Сначала они вырастили Co-MOF на никелевой пене (NF). Затем они подвергли этот материал реакции постсинтетической модификации (PSM) с борогидридом натрия (NaBH₄), что привело к внедрению бора. За этим последовал процесс фосфорилирования с использованием различного количества гипофосфита натрия (NaH₂PO₂), в результате чего были получены три различных образца нанолистов фосфида кобальта, легированных бором (B-CoP@NC/NF).
Эксперименты показали, что все три образца имели большую площадь поверхности и мезопористую структуру, ключевые особенности, улучшающие электрокаталитическую активность. В результате все три образца продемонстрировали отличные характеристики в РВО и РВВ, причём образец, изготовленный с использованием 0,5 грамма NaH₂PO₂ (B-CoP₀,₅@NC/NF), показал лучшие результаты.
Интересно, что этот образец показал перенапряжения 248 и 95 мВ для РВО и РВВ соответственно, что намного ниже, чем у ранее сообщённых электрокатализаторов.
Щелочной электролизер, разработанный с использованием электродов B-CoP₀,₅@NC/NF, показал потенциал ячейки всего 1,59 В при плотности тока 10 мА см⁻², что ниже, чем у многих современных электролизеров. Кроме того, при высоких плотностях тока выше 50 мА см⁻² он даже превзошёл современные электролизеры RuO₂/NF(+) и 20% Pt-C/NF(−), продемонстрировав при этом долгосрочную стабильность, сохраняя свои характеристики более 100 часов.
Расчёты по теории функционала плотности (DFT) подтвердили эти выводы и прояснили роль легирования бором и регулировки содержания фосфора.
«Наши результаты предлагают план проектирования и синтеза высокоэффективных катализаторов следующего поколения, которые могут резко снизить затраты на производство водорода», — говорит профессор Ли.
«Это важный шаг на пути к тому, чтобы сделать крупномасштабное производство «зелёного» водорода реальностью, что в конечном итоге поможет сократить глобальные выбросы углерода и смягчить изменение климата».
Предоставлено Hanyang University.