Прорыв в области катализаторов может ускорить производство экологически чистого водорода
Аккумулятор Challenger A12-55
Международная исследовательская группа, в которую входят ученые из Университета Аделаиды, разработала высокоэффективный микроскопический иридиевый катализатор, который может стать важным шагом на пути к более доступному и эффективному производству экологически чистого водорода.
Исследователи из Университета Аделаиды совместно с учеными из японского Университета Тохоку, Токийского научного университета и Университета Вандербильта в США успешно разработали микроскопические иридиевые катализаторы, которые могут повысить эффективность производства экологически чистого водорода.
По словам исследователей, крошечные катализаторы содержат всего 15 атомов иридия и по массовой активности в 1,5 раза превосходят коммерчески доступные иридиевые катализаторы, демонстрируя при этом отличную долговечность.
«Зеленый» водород получают путем расщепления воды на водород и кислород с использованием возобновляемых источников энергии. Одной из самых сложных задач, связанных с этим процессом, является реакция выделения кислорода (РВК). Эта химическая реакция происходит в высококислотной и агрессивной среде, и иридий оказался одним из немногих катализаторов, способных выдерживать такие условия. Однако из-за высокой стоимости и ограниченной доступности этого редкого металла предпринимались попытки сократить его количество, сохранив при этом максимальную реакционную активность.
Один из способов сократить количество используемого иридия — создать атомарно точные металлические нанокластеры, крошечные скопления атомов металла. Уменьшение размера металлических частиц до 1 нанометра (нм) увеличивает их удельную площадь поверхности и количество активных центров. Недостаток увеличения площади поверхности заключается в том, что иридий окисляется при контакте с воздухом и становится нестабильным.
Чтобы преодолеть эту нестабильность, исследовательская группа разработала метод восстановления полиола с помощью этиленгликоля и процесс замены лигандов для защиты атомов иридия.
Обволакивая ядро из атомов иридия молекулами монооксида углерода и трифенилфосфина, ученые смогли получить 15-атомные нанокластеры иридия, которые остаются очень стабильными и устойчивыми к окислению даже при синтезе на открытом воздухе.
Затем исследователи прикрепили нанокластеры к подложке из технического углерода, чтобы создать твердый катализатор со средним размером частиц 0,9 нм.
Схема реакции выделения кислорода при электролизе воды. С уменьшением размера частиц иридия увеличивается доля поверхностных атомов иридия, что приводит к значительному повышению каталитической активности.
Испытания показали, что новый материал обладает примерно в 1,5 раза большей массовой активностью, чем обычные коммерческие иридиевые катализаторы. Катализатор также продемонстрировал отличную долговечность: он проработал непрерывно более 20 часов без существенной потери эффективности.
Дальнейший анализ показал, что сверхминиатюризация частиц иридия изменила их электронные свойства таким образом, что химические реакции стали протекать более эффективно.
Представитель Университета Тохоку Юити Негиси заявил, что это открытие может привести к повышению эффективности производства экологически чистого водорода.
«Мы надеемся, что эти открытия станут новой вехой в исследованиях металлических нанокластеров и «зеленого» водорода, поскольку они могут помочь нам создать экономичные и высокоэффективные металлические нанокластеры для решения насущных глобальных энергетических и экологических проблем», — сказал он.