Учёные сделали важный шаг к решению одной из главных проблем, стоящих перед «зелёным» водородом: дефицит иридия — редкого и дорогого металла, имеющего решающее значение для современных методов производства.
«Сейчас наиболее передовые технологии для устойчивого производства водорода используют катализаторы на основе иридия в протонно-обменных мембранных водных электролизерах», — говорит ведущий автор исследования, доцент Александр Н. Симонов из Школы химии Университета Монаша.
«Но добываемого иридия просто недостаточно, чтобы построить электролизеры нужного масштаба для того, чтобы «зелёный» водород действительно способствовал декарбонизации нашей энергетической и химической промышленности».
Глобальный интерес к «зелёному» водороду как к экологически чистому топливу высветил неприятную правду: хотя иридий работает чрезвычайно хорошо, его доступность на несколько порядков ниже, чем требуется для многогигаватных установок, необходимых во всём мире.
Чтобы решить эту проблему, исследователи искали эффективные анодные катализаторы из более дешёвых и распространённых материалов. Катализаторы на основе кобальта показали многообещающие результаты, включая предыдущие прорывы команды из Университета Монаша, но до сих пор их ограниченная стабильность была препятствием для реального использования.
«Кобальт намного дешевле иридия, но задача всегда заключалась в том, чтобы сделать катализаторы на основе кобальта достаточно стабильными, чтобы выдерживать суровые условия внутри этих электролизеров», — говорит участник исследования, доктор Дарси Саймондсон, выпускник Университета Монаша.
Статья, опубликованная в журнале Nature Energy, под руководством Школы химии Университета Монаша совместно с коллегами из Института химической энергетической конверсии Макса Планка, Технологического университета Суинберна, Лос-Аламосской национальной лаборатории, Гельмгольц-Центрума Берлина по материалам и энергетике, Кембриджского университета и синхротронных установок в Австралии и Германии, исследует, почему катализаторы на основе кобальта деградируют и как это исправить.
«Это было более трёх лет исследований с использованием одних из самых передовых в мире спектроскопических, электрохимических и вычислительных методов», — сказал доктор Марк Теш из Института химической энергетической конверсии Макса Планка.
«Мы обнаружили, что основные каталитические функции этих анодов на основе кобальта и их деградация на самом деле происходят независимо друг от друга. Этого не ожидали предыдущие исследования».
Это новое понимание может революционизировать подходы к проектированию катализаторов. Показывая, что деградация и каталитическая активность разделены, учёные теперь могут сосредоточиться на разработке кобальтовых материалов для максимизации их производительности, одновременно решая проблемы стабильности.
«По сути, мы обнаружили, что эти процессы протекают параллельно, а не напрямую связаны. Это даёт нам чёткий путь к созданию анодов на основе кобальта, надёжных и экономически жизнеспособных для производства «зелёного» водорода. Также существует потенциал для применения тех же синхротронных методов к другим катализаторам, что позволит получить важные сведения о широком спектре систем», — говорит участник исследования, доцент Розали Хокинг из Технологического университета Суинберна.
Результаты команды приближают видение более дешёвого крупномасштабного «зелёного» водорода. Если стабилизировать кобальтовые катализаторы для долгосрочного использования, это может устранить серьёзное препятствие для применения этой технологии в масштабе многих гигаватт во всём мире.
«Это исследование имеет решающее значение для разработки новых анодов, которые не зависят от дефицитных материалов», — сказал доцент Симонов.
««Зелёный» водород может стать важным инструментом в декарбонизации нашей экономики, но только если мы сможем сделать его производство действительно устойчивым и масштабируемым».
Предоставлено Университетом Монаша.