Протонно-обменная мембранная (PEM) технология электролиза воды — важная технология для производства крупномасштабного «зелёного» водорода. Платина на углероде (Pt/C) является современным катодным катализатором благодаря умеренной энергии связи водорода и высокой устойчивости к кислотной коррозии. Однако высокая загрузка платины значительно увеличивает затраты.
В исследовании, опубликованном в [Joule](https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101968), группа учёных под руководством профессоров Дэн Дэхуэй и Юй Лян из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук (CAS) в сотрудничестве с профессором Лу Цзюньлинем из Университета науки и технологий Китая CAS и профессором Юй Хунмэй из DICP разработала высокоэффективный и стабильный катализатор для выделения кислотного водорода.
Описание разработки
Учёные создали каталитическую «кольчугу», состоящую из нано-сплава кобальта и никеля (CoNi), инкапсулированного в монослой графена. Было обнаружено, что перенос электронов от CoNi к [слою углерода](https://phys.org/tags/carbon+layer/), наряду с 3d-2p электронным взаимодействием, привёл к обогащению асимметричных π-электронных состояний на поверхности графена.
После нанесения отдельных атомов платины с помощью [метода атомно-слоевого осаждения](https://phys.org/tags/atomic+layer+deposition/) обогащённые асимметричные π-электроны продемонстрировали уникальный эффект ограничения атомов платины.
Принцип работы
Этот эффект работал через два синергетических механизма:
* Перенос электронов от CoNi к Pt через слой графена привёл к обогащению платины электронами, оптимизируя энергию адсорбции водорода и способствуя десорбции водорода, тем самым улучшая каталитическую активность.
* Сильное взаимодействие между асимметричными π-электронами и 5d-орбиталью Pt повысило структурную стабильность участков Pt, повысив долговечность катализатора.
Результаты
Исследователи собрали протонообменный мембранный водяной электролизер с использованием этого катализатора, который достиг сверхвысокой плотности тока 4,0 А см⁻² при 2,02 В и сохранил отличную долговечность более 1000 часов при 2 А см⁻², используя загрузку платины всего 1,2 мкгPt см⁻².
Они также собрали водяной электролизер мощностью 2,85 кВт с использованием этого [катализатора](https://phys.org/tags/catalyst/), который стабильно работал более 300 часов при промышленной плотности тока 1,5 А см⁻², что подчёркивает его выдающийся потенциал для промышленного применения.
«Эта работа предлагает новую идею для разработки высокопроизводительных, долговечных и недорогих катализаторов для [производства водорода](https://phys.org/tags/hydrogen+production/) с помощью кислотного [электролиза воды](https://phys.org/tags/water+electrolysis/)», — сказал профессор Дэн.
Предоставлено [Китайской академией наук](https://phys.org/partners/chinese-academy-of-sciences/).