Водород может приводить в действие транспортные средства, не выделяя при этом ничего, кроме воды. Водород также является важным химическим веществом для многих промышленных процессов, особенно при выплавке стали и производстве аммиака. В этих отраслях промышленности крайне желательно использовать более чистый водород.

Межведомственная команда, возглавляемая Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США (DOE), разработала недорогой катализатор для процесса получения чистого водорода из воды. Среди других участников - Национальные лаборатории Министерства энергетики Сандия и Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, а также компания Giner Inc.

"Процесс, называемый электролизом, позволяет получать водород и кислород из воды и существует уже более ста лет", - сказал Ди-Цзя Лю, старший химик в Аргонне. Он также работает на совместном приеме в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета.

Электролизеры с протонообменной мембраной (PEM) представляют собой технологию нового поколения для этого процесса. Они могут расщеплять воду на водород и кислород с более высокой эффективностью при температуре, близкой к комнатной. Сниженная потребность в энергии делает их идеальным выбором для производства чистого водорода с использованием возобновляемых, но непостоянных источников, таких как солнце и ветер.

Этот электролизер работает с отдельными катализаторами для каждого из его электродов (катода и анода). Катодный катализатор выделяет водород, в то время как анодный катализатор образует кислород. Проблема заключается в том, что в качестве анодного катализатора используется иридий, текущая рыночная цена которого составляет около 5000 долларов за унцию. Недостаток поставок и высокая стоимость иридия представляют собой серьезное препятствие для широкого внедрения ПЭМ-электролизеров.

Основным ингредиентом нового катализатора является кобальт, который существенно дешевле иридия. "Мы стремились разработать недорогой анодный катализатор для ПЭМ-электролизера, который генерирует водород с высокой производительностью при минимальном потреблении энергии", - сказал Лю. "Используя катализатор на основе кобальта, приготовленный по нашему методу, можно было бы устранить основное узкое место в стоимости производства чистого водорода в электролизере".

Компания Giner Inc., ведущая научно-исследовательская компания, работающая над коммерциализацией электролизеров и топливных элементов, оценила новый катализатор с помощью своих испытательных станций для электролизеров PEM в промышленных условиях эксплуатации. Производительность и долговечность намного превосходили катализаторы конкурентов.

Важным для дальнейшего улучшения характеристик катализатора является понимание механизма реакции на атомном уровне в условиях работы электролизера. Команда расшифровала критические структурные изменения, происходящие в катализаторе в рабочих условиях, с помощью рентгеновского анализа на усовершенствованном источнике фотонов (APS) в Аргонне. Они также определили ключевые характеристики катализатора с помощью электронной микроскопии в Sandia Labs и Аргоннском центре наноразмерных материалов (CNM). APS и CNM являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США.

"Мы изобразили атомную структуру на поверхности нового катализатора на различных стадиях приготовления", - сказал Цзяньго Вэнь, специалист по материаловедению из Аргонны.

Кроме того, компьютерное моделирование в лаборатории Беркли позволило получить важную информацию о долговечности катализатора в условиях реакции.

Достижение команды является шагом вперед в рамках инициативы DOE по водородной энергетике Earthshot, которая имитирует "Лунный выстрел" американской космической программы 1960-х годов. Его амбициозная цель состоит в том, чтобы снизить затраты на производство экологически чистого водорода до одного доллара за килограмм за десятилетие. Производство экологически чистого водорода по такой цене могло бы изменить экономику страны. Области применения включают электросети, производство, транспорт, а также отопление жилых и коммерческих помещений.

"В целом, наши результаты открывают многообещающий путь вперед в замене катализаторов, изготовленных из дорогих драгоценных металлов, элементами, которые намного дешевле и более распространены", - отметил Лю.

Это исследование было опубликовано 12 мая в Наука и был поддержан Управлением Министерства энергетики по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии, Управлением технологий водорода и топливных элементов, а также Аргоннской лабораторией, направившей финансирование исследований и разработок.

Помимо Лю, авторами из Аргонна являются Лина Чонг (сейчас работает в Шанхайском университете Цзяо Тонг), Цзянго Вэнь, Хайпин Сюй, А. Джереми Кропф, Вэньцянь Сюй и Сяо-Мин Лин. Среди авторов из лаборатории Беркли - Гопин Гао, Хайся Ли и Лин-Ван Ван. Автором из Sandia Labs является Джошуа Д. Шугар. Авторы Зак Грин и Хуэй Сюй из Giner Inc.