Для сокращения выбросов парниковых газов и борьбы с изменением климата мир срочно нуждается в чистых и возобновляемых источниках энергии. Водород является одним из таких чистых источников энергии, который имеет нулевое содержание углерода и накапливает гораздо больше энергии по весу, чем бензин. Одним из многообещающих методов получения водорода является электрохимическое расщепление воды - процесс, в котором для расщепления воды на водород и кислород используется электричество. В сочетании с возобновляемыми источниками энергии этот метод предлагает устойчивый способ производства водорода и может способствовать сокращению выбросов парниковых газов.
К сожалению, крупномасштабное производство водорода с использованием этого метода в настоящее время неосуществимо из-за необходимости в катализаторах, изготовленных из дорогостоящих редкоземельных металлов. Следовательно, исследователи изучают более доступные электрокатализаторы, например, изготовленные из различных переходных металлов и соединений. Среди них фосфиды переходных металлов (TMPS) привлекли значительное внимание в качестве катализаторов для процесса получения водорода, известного как реакция выделения водорода (HER), благодаря своим благоприятным свойствам. Однако они плохо проявляют себя в реакции выделения кислорода (OER), что снижает общую эффективность. Предыдущие исследования показали, что добавление бора (B) в TMPS может улучшить как ее, так и другие характеристики, но до сих пор изготовление таких материалов было сложной задачей.
В ходе недавнего прорыва исследовательская группа под руководством профессора Сынхюна Ли, включая г-на Дун Чан Ча из кампуса Университета Ханьянг в Южной Корее, разработала новый тип перестраиваемого электрокатализатора с использованием нанолистов фосфида кобальта, легированного B (CoP). Профессор. Ли объясняет: "Мы успешно разработали наноматериалы на основе фосфидов кобальта, регулируя содержание легирования бором и фосфора с помощью металлоорганических каркасов. Эти материалы обладают лучшими эксплуатационными характеристиками и более низкой стоимостью, чем обычные электрокатализаторы, что делает их пригодными для крупномасштабного производства водорода". Их исследование было опубликовано в журнале Small 19 марта 2025 года.
Исследователи использовали инновационную стратегию для создания этих материалов, используя металлоорганические каркасы на основе кобальта (Co) (MOF). "MOF являются отличными предшественниками для проектирования и синтеза наноматериалов с требуемым составом и структурами", - отмечает г-н Ча. Сначала они вырастили Co-MOF на никелевой пене (NF). Затем они подвергли этот материал реакции модификации после синтеза (PSM) с борогидридом натрия (NaBH4), что привело к интеграции B. За этим последовал процесс фосфоризации с использованием различных количеств гипофосфита натрия (NaH2PO2), в результате чего были получены три различных образца нанолистов фосфида кобальта, легированных B (B-CoP@NC/NF).
Эксперименты показали, что все три образца имели большую площадь поверхности и мезопористую структуру - ключевые особенности, улучшающие электрокаталитическую активность. В результате все три образца продемонстрировали отличные показатели OER и HER, причем образец был изготовлен с использованием 0,5 грамма NaH2PO2 (B-CoP0.5@NC/NF ), демонстрирующий наилучшие результаты. Интересно, что этот образец демонстрировал перенапряжения 248 и 95 мВ для OER и HER, соответственно, что намного ниже, чем у ранее описанных электрокатализаторов.
Щелочной электролизер, разработанный с использованием B-CoP0.5@NC/NF электроды показали потенциал элемента всего 1,59 В при плотности тока 10 мА/см2, что ниже, чем у многих современных электролизеров. Кроме того, при высокой плотности тока, превышающей 50 мА/см2, он даже превосходит современный электролизер RuO2/NF (+) и 20%-ный электролизер Pt-C/NF(-), а также демонстрирует долговременную стабильность, сохраняя свою производительность более 100 часов.
Расчеты по теории функционала плотности (DFT) подтвердили эти выводы и прояснили роль B-легирования и корректировки содержания P. В частности, B-легирование и оптимальное содержание P привели к эффективному взаимодействию с промежуточными продуктами реакции, что привело к исключительным электрокаталитическим характеристикам.
"Наши результаты дают основу для разработки и синтеза высокоэффективных катализаторов следующего поколения, которые могут значительно снизить затраты на производство водорода", - говорит профессор Ли. "Это важный шаг на пути к превращению крупномасштабного производства экологически чистого водорода в реальность, что в конечном итоге поможет сократить глобальные выбросы углекислого газа и смягчить последствия изменения климата.
Комментарии