Науковці Університету штату Орегон розробили каталізатори, які дозволяють отримати водень із більшою ефективністю та меншою вартістю, ніж це можливо з наявними у продажу каталізаторами.
Каталізатор – це речовина, яка збільшує швидкість хімічної реакції, не зазнаючи ніяких хімічних змін.
«Отримані результати є значущими, оскільки виробництво водню важливе для багатьох аспектів нашого життя, таких як паливні елементи для автомобілів і виробництво хімічних речовин, таких як аміак», — сказав керівник дослідження професор хімічної інженерії Чженсін Фен з Інженерного коледжу OSU. «Він також використовується для рафінування металів, для виробництва штучних матеріалів, таких як пластмаси та для низки інших цілей».
«Виробництво водню шляхом розщеплення води за допомогою електрохімічного каталітичного процесу є чистішим і більш стійким, ніж звичайний метод отримання водню з природного газу за допомогою процесу виробництва вуглекислого газу, відомого як метано-паровий риформінг», — сказав професор Фен.
Нові висновки, які описують способи розробки каталізаторів, які можуть значно підвищити ефективність процесу виробництва чистого водню, були опубліковані в Science Advances і JACS Au.
Zhenxing Feng, OSU. Credit: OSU
«Полегшуючи реакційні процеси, каталізатори часто зазнають структурних змін», — сказав професор Фен. Іноді зміни є оборотними, іноді необоротними, і вважається, що необоротна реструктуризація погіршує стабільність каталізатора, що призводить до втрати каталітичної активності, що знижує ефективність реакції.
Аспірант Маою Ванг і його колеги вивчали реструктуризацію каталізаторів у реакції, а потім змінювали їх структуру та склад в атомному масштабі, щоб досягти високоефективного каталітичного процесу для виробництва водню.
Активна фаза каталізатора на основі аморфного гідроксиду іридію продемонструвала ефективність у 150 разів більшу за свою початкову структуру перовскіту і майже на три порядки вище, ніж звичайний комерційний каталізатор, оксид іридію.
«Ми знайшли щонайменше дві групи матеріалів, які зазнають незворотних змін, які виявилися значно кращими каталізаторами виробництва водню», — сказав професор Фенг. «Це може допомогти нам виробляти водень по 2 долари за кілограм і в кінцевому підсумку 1 долар за кілограм».
Професор Фен зазначає, що Міністерство енергетики США встановило контрольні показники технологій, які можуть виробляти чистий водень за 2 долари США за кілограм до 2025 року і 1 долар за кілограм до 2030 року в рамках проєкту Hydrogen Energy Earthshot щодо зниження вартості чистого водню на 80%, з 5 до 1 долара за кілограм за одне десятиліття.
Технологія електролізу води для виробництва чистого водню, на якій зосереджена наукова група, використовує електроенергію з відновлюваних джерел для розкладу води для отримання чистого водню. Однак ефективність розщеплення води, за його словами, низька, головним чином через високий перепотенціал – різницю між фактичним потенціалом і теоретичним потенціалом електрохімічної реакції – однієї ключової напівреакції в процесі, реакції виділення кисню.
«Каталізатори мають вирішальне значення для пришвидшення реакції розщеплення води, знижуючи надпотенціал і, таким чином, знижуючи загальну вартість виробництва водню», — сказав професор Фен. «Наше перше дослідження в JACS Au заклало основу для нас, і, як показано в нашій статті Science Advances, тепер ми можемо краще маніпулювати атомами на поверхні для розробки каталізаторів із потрібною структурою та складом».
Першоджерело: https://scitechdaily.com/advanced-new-catalysts-for-more-efficient-clean-hydrogen-production/
“Lattice site–dependent metal leaching in perovskites toward a honeycomb-like water oxidation catalyst” by Yubo Chen, Yuanmiao Sun, Maoyu Wang, Jingxian Wang, Haiyan Li, Shibo Xi, Chao Wei, Pinxian Xi, George E. Sterbinsky, John W. Freeland, Adrian C. Fisher, Joel W. Ager, Zhenxing Feng and Zhichuan J. Xu, 10 December 2021, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abk1788
“The Restructuring-Induced CoOx Catalyst for Electrochemical Water Splitting” by Maoyu Wang, Qingbo Wa, Xiaowan Bai, Zuyun He, Widitha S. Samarakoon, Qing Ma, Yingge Du, Yan Chen, Hua Zhou, Yuanyue Liu, Xinwei Wang and Zhenxing Feng, 2 November 2021, JACS Au.
DOI: 10.1021/jacsau.1c00346