Исследователи из Института науки Токио выяснили, что сульфиды металлов с семью-восьмью $d$-электронами демонстрируют оптимальные характеристики в качестве катализаторов для электролиза воды. В ходе всестороннего анализа различных сульфидов металлов они выявили зависимость активности катализаторов от количества $d$-электронов в атомах металлов, напоминающую форму вулкана.
Глобальный энергетический кризис и необходимость борьбы с изменением климата
Глобальный энергетический кризис и острая необходимость борьбы с изменением климата сделали разработку «зелёного» водорода приоритетной задачей. Водород, как топливо с исключительной энергетической плотностью, которое при использовании производит только воду, является привлекательной альтернативой ископаемому топливу.
Электролиз воды и реакция выделения кислорода
Водород можно получить путём расщепления молекул воды в процессе, известном как электролиз воды, который может осуществляться за счёт электроэнергии, полученной из возобновляемых источников. Однако существует значительное препятствие: реакция выделения кислорода (ОВК), которая происходит на аноде в присутствии катализаторов на основе драгоценных металлов во время электролиза воды, всё ещё представляет собой серьёзное узкое место.
Сульфиды металлов как перспективные материалы для катализаторов ОВК
В поисках более эффективных катализаторов ОВК сульфиды металлов показали себя многообещающими материалами. Они обладают уникальными электрохимическими свойствами, включая более прочную ковалентную связь и превосходную электропроводность по сравнению с традиционными катализаторами на основе оксидов металлов.
Несмотря на потенциал, инженерам не хватает фундаментальных принципов проектирования, позволяющих предсказать, какие сульфиды металлов будут работать лучше всего в качестве катализаторов ОВК, и почему. Это сделало разработку эффективных катализаторов на основе сульфидов металлов процессом методом проб и ошибок, что замедляет прогресс в этой области.
Открытие, ускоряющее разработку катализаторов на основе сульфидов металлов
Исследовательская группа под руководством профессора Такео Ямагучи из Института комплексных исследований Института науки Токио совершила выдающееся открытие, которое может ускорить разработку катализаторов на основе сульфидов металлов. В их исследовании, опубликованном в журнале Catalysis Science & Technology, изучались девять различных сульфидов металлов для выявления принципов, управляющих их каталитической активностью.
Учёные синтезировали сульфиды металлов, содержащие различные металлы, включая марганец, кобальт, никель, медь, молибден и цинк, и проверили их способность катализировать ОВК. Они объединили экспериментальные электрохимические измерения с передовым компьютерным анализом, чтобы понять, почему одни материалы работают лучше других.
«Мы стремились установить всеобъемлющий дескриптор электрокаталитической активности ОВК сульфидов металлов, проведя систематическое исследование для выяснения основных факторов, влияющих на ОВК», — объясняет Ямагучи.
Анализ показал два ключевых фактора. Во-первых, было обнаружено, что сульфиды металлов с низколежащими незаполненными $d$-орбитальными центрами в их атомах металлов демонстрируют превосходную каталитическую активность — зависимость, аналогичную той, что наблюдалась в оксидах металлов, но никогда ранее не демонстрировалась для сульфидов.
Более того, они обнаружили, что каталитическая активность образует график в форме вулкана, если её изобразить в зависимости от количества $d$-электронов в атомах металла, достигая пика между семью и восемью $d$-электронами. Это происходит потому, что металлы с меньшим количеством $d$-электронов слишком сильно связывают промежуточные продукты реакции, а металлы со слишком большим количеством $d$-электронов связывают их слишком слабо.
Таким образом, оптимальная производительность, по-видимому, требует сбалансированного взаимодействия. «Впервые в мире мы обнаружили ранее неизвестный принцип — активность сульфидов металлов определяется количеством $d$-электронов в металле», — подчёркивает Ямагучи.
Вместе эти результаты предоставляют исследователям конкретные рекомендации по разработке более эффективных катализаторов. Используя $d$-электроны в качестве дескрипторов производительности для кандидатов в сульфиды металлов, учёные теперь могут предсказать, какие комбинации с наибольшей вероятностью будут функционировать как высокоэффективные катализаторы ОВК, тем самым сокращая время и затраты на разработку.
Поскольку страны по всему миру вкладывают значительные средства в водородную инфраструктуру, этот фундаментальный прорыв открывает чёткий путь к созданию эффективных материалов-катализаторов, необходимых для реализации устойчивой водородной экономики. Будем надеяться, что расщепление воды станет нашим основным методом производства чистого водорода в ближайшем будущем.
Предоставлено Институтом науки Токио.