Международная группа ученых, в состав которой вошел МИЭМ НИУ ВШЭ, разработала катализатор, обеспечивающий быстрое и экономичное получение водорода из воды. Для этого исследователи создали наночастицы сложного оксида, состоящего из шести металлов, и закрепили их на различных носителях. Катализатор, расположенный на слоях восстановленного графена, продемонстрировал почти втрое большую эффективность по сравнению с тем же оксидом без подложки. Эта разработка способна удешевить производство водорода и ускорить переход к экологически чистым источникам энергии. Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Energy Materials. Работа выполнена в рамках гранта РНФ.
В настоящее время многие государства стремятся к переходу на экологически чистые источники энергии. В качестве перспективного варианта рассматривается водород, поскольку его применение не сопровождается образованием углекислого газа, что существенно для уменьшения объемов выбросов. Водород может быть получен посредством электролиза — метода, при котором вода расщепляется на кислород и водород под воздействием электрического тока. Однако существует определенная трудность: выделение кислорода происходит относительно медленно и требует дополнительных затрат энергии, что снижает экономическую целесообразность производства водорода. Для повышения скорости этого процесса необходимы катализаторы, содержащие редкие и дорогостоящие металлы, такие как платина или рутений.
В статье “High Entropy (CoFeMnCuNiCr)3O4 Nanoparticles Anchored on Graphene-Based Supports for High-Performance Oxygen Evolution Electrocatalysis” авторы представили высокоэнтропийный оксид как более экономичную и надежную замену традиционным материалам. В исследовании приняли участие ученые из МИЭМ НИУ ВШЭ, Казанского федерального университета, Южно-Уральского государственного университета, а также специалисты из Института энергетических исследований Каталонии (IREC), ICREA (Барселона) и Тебризского университета.
«В процессе создания мы объединили в единую кристаллическую структуру сразу несколько металлов: кобальт, железо, марганец, медь, никель и хром. Это позволило создать большое количество активных центров на поверхности, где реакция протекала интенсивнее, и повысило устойчивость структуры к разрушению», – сообщил научный сотрудник Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ Ахмад Остовари.
Ученые получили оксид в виде наночастиц и закрепили их на различных углеродных носителях: графите, графеновом оксиде и восстановленном графеновом оксиде. Наиболее эффективной оказалась последняя подложка, поскольку она обеспечила равномерное распределение наночастиц, исключила их агломерацию и увеличила электропроводность.
Катализатор, созданный на основе восстановленного графена, продемонстрировал минимальное отклонение от идеального потенциала – всего 290 мВ, что значительно ниже, чем у исходного материала, где этот показатель составлял 770 мВ. Оверпотенциал представляет собой разницу между фактическим и расчетным потенциалом реакции, и его снижение указывает на более высокую эффективность катализатора и облегчение протекания реакции.
Проведенные испытания продемонстрировали, что катализатор поддерживает свою эффективность в течение 12 часов непрерывной эксплуатации и обладает хорошей электропроводностью. Это существенное улучшение по сравнению с результатами лабораторных исследований. Разработчики полагают, что данный комплекс характеристик делает его многообещающим претендентом для будущих промышленных электролизеров, однако для начала использования в реальных условиях необходимы более продолжительные испытания.
«По словам профессора МИЭМ НИУ ВШЭ Андрея Васенко, использование сочетания высокоэнтропийных оксидов и восстановленного графена позволяет обойти ограничения, характерные для традиционных катализаторов. Этот подход обеспечивает высокую эффективность, устойчивость и экономичность.
Информация предоставлена пресс-службой НИУ ВШЭ