Сколковский институт науки и технологий (Сколтех), Университет Техаса в Остине и Массачусетский технологический институт (MIT) открыли новый катализатор, существенно повышающий эффективность электролитического разложения воды в щелочных растворах, сообщает пресс-служба Сколтеха. Отчет о работе опубликован в журнале Nature Communications.

Выделение кислорода и водорода из воды путем электролиза является ключевым процессом в технологии получения водородного топлива. Но широкое применение электролиза воды в современной энергетике ограничено некоторыми нерешенными технологическими проблемами. К ним относятся высокое энергопотребление, высокая стоимость электролизеров и ограниченный срок их работы. В частности, возможности крупномасштабного применения ограничены высокой стоимостью катализаторов на основе благородных металлов, таких как платина и иридий.

«Реакция выделения кислорода из воды остается существенной проблемой не только электролизеров, но и топливных элементов и металл-воздушных батарей. Если бы мы разработали катализатор разложения воды на водород и кислород на основе дешевых и доступных материалов, мы бы получили коммерчески выгодный метод производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии. Например, это позволило бы нам сконструировать автомобиль, работающий на воде, с пробегом, сопоставимым с пробегом автомобилей, использующих газ в качестве топлива. Чтобы разработать такие катализаторы, мы должны на атомном уровне понять процессы и факторы, влияющие на их работу и характеристики», — цитируются в пресс-релизе пояснения одного из авторов исследования Тайлера Меффорда.

Команда исследователей под руководством проф. К. Стивенсона синтезировала ряд перовскитоподобных оксидов кобальта и лантана, свойства которых можно контролируемо изменять путем замещения части лантана на стронций. Исследователи из Сколтеха детально изучили структуры материалов на поверхности и в объеме кристаллов с помощью методов просвечивающей электронной микроскопии. Полученные данные ученые из MIT использовали для математического моделирования реакции электролиза воды в щелочных растворах.

В результате команда сформулировала два наиболее важных критерия, определяющих функциональные свойства катализатора: степень ковалентности связи кобальт-кислород (энергетическая близость валентных электронов кобальта и кислорода) и концентрация кислородных вакансий (позиций в кристаллической структуре материала, которые должны были бы быть заняты атомами кислорода, но остаются вакантными в активном катализаторе).

Основываясь на этих критериях, команда Стивенсона предложила смешанный кислород-дефицитный оксид кобальта и стронция, SrCoO2.7, в качестве основы для катализатора, в 20 раз более активного в электролизе воды, чем лучший промышленный катализатор IrO2 при намного меньшей стоимости.

Результаты, полученные исследователями, привели к более глубокому пониманию механизмов работы таких катализаторов, хотя, как отмечается в сообщении, для дальнейшего прогресса в увеличении активности катализаторов электролиза воды потребуется дополнительная работа.

«Сейчас в наших руках находится прототип улучшенного катализатора щелочного электролиза воды, дающий нам импульс для преодоления затруднений на пути к успешному внедрению электролизеров, топливных элементов и батарей», – цитируются слова Стивенсона.