Катализатор, превращающий воду в энергетическое богатство

Недавно разработанный катализатор SA Zn-RuO2 демонстрирует повышенную долговечность и благоприятные характеристики для кислотных ООР. Он обладает огромным потенциалом для разработки надежных и активных электрокатализаторов OER без иридия, открывая путь для практического применения в технологиях устойчивой энергетики. Фото: SciTechDaily.com

Стабильный, реакционноспособный и экономически эффективный рутениевый катализатор для устойчивого производства водорода посредством электролиза воды с протонообменной мембраной.

Устойчивый электролиз для производства зеленого водорода является сложной задачей, в первую очередь из-за отсутствия эффективных, недорогих и стабильных катализаторов для реакции выделения кислорода в кислых растворах. Группа исследователей разработала рутениевый катализатор, допировав его цинком, что привело к повышению стабильности и реакционной способности по сравнению с его коммерческой версией. Предлагаемая стратегия может произвести революцию в производстве водорода, проложив путь к электрокатализаторам следующего поколения, которые способствуют технологиям чистой энергии.

Электролиз и проблемы с катализаторами

Электролиз — это процесс, в котором используется электричество для создания молекул водорода и кислорода из воды. Использование протонообменной мембраны (ПЕМ) и возобновляемых источников энергии для электролиза воды широко рассматривается как устойчивый метод производства водорода.

Однако проблемой в развитии технологии электролиза воды PEM является отсутствие эффективных, недорогих и стабильных катализаторов реакции выделения кислорода (OER) в кислых растворах во время электролиза воды PEM. Хотя катализаторы на основе иридия являются потенциальным решением, металлический иридий в природе редок и дорог. С другой стороны, оксиды рутения (RuO2) представляют собой более доступный и реакционноспособный вариант, но они также страдают от проблем со стабильностью.

Поэтому исследователи изучают пути повышения стабильности структуры RuO2 для разработки перспективных катализаторов ОЭР для успешной реализации технологии производства водорода.

OER важен для устойчивого производства водорода посредством электролиза воды, являющегося членом протонного обмена. Теперь исследователи представляют новый катализатор RuO2, стабилизированный отдельными атомами цинка, для OER при электролизе воды с протонообменной мембраной. Фото: Хэсон Чан из Университета Чунг-Анг.

Прорыв в разработке катализаторов OER

Теперь в недавнем исследовании, опубликованном в 88-м томе журнала Energy Chemistry в январе 2024 года, группа исследователей под руководством профессора Хэсон Чанга с факультета перспективной инженерии материалов Университета Чунг-Анг разработала многообещающий катализатор OER. Обозначаемый как SA Zn-RuO2, катализатор состоит из RuO2, стабилизированного отдельными атомами цинка.

Подробно рассказывая о своем исследовании, профессор Янг говорит: «Мы были мотивированы необходимостью найти эффективные и экономически выгодные альтернативные электрокатализаторы для OER в электролизе воды PEM. Основываясь на нашем исследовании, мы предлагаем стратегию двойной инженерии, включающую легирование одним атомом Zn и введение кислородных вакансий, чтобы сбалансировать высокую каталитическую активность со стабильностью во время кислотного OER».

Конструкция и производительность катализатора

• Исследователи синтезировали SA Zn-RuO2 путем нагревания органического каркаса с атомами рутения (Ru) и цинка, образуя структуру с кислородными вакансиями (отсутствующими атомами кислорода, которые положительно изменяют свойства) и связями Zn-O-Ru.
• Эти связи стабилизируют катализатор двумя способами: во-первых, путем укрепления связей Ru-O, и, во-вторых, путем предоставления электронов от атомов цинка для защиты рутения от переокисления во время процесса OER.
• Кроме того, улучшенная электронная среда вокруг атомов рутения снижает энергию, необходимую молекулам для прилипания к поверхности, тем самым снижая энергетический барьер для реакции.
• Полученный катализатор оказался более стабильным, без видимого падения реакционной способности и существенно превосходил коммерческий RuO2.
• Кроме того, он требовал меньше дополнительной энергии (низкое перенапряжение 213 мВ по сравнению с 270 мВ для коммерческого RuO2) и оставался работоспособным в течение более длительного периода (43 часа по сравнению с 7,4 часа для коммерческого RuO2).

Последствия для устойчивой энергетики

Благодаря улучшенной стабильности и характеристикам недавно предложенный катализатор SA Zn-RuO2 может повлиять на разработку экономически эффективных, активных и кислотостойких электрокатализаторов для OER. Это, в свою очередь, может помочь снизить затраты и увеличить производство зеленого водорода, способствуя переходу к более чистым источникам энергии и достижениям в области устойчивых технологий.

«Мы считаем, что этот сдвиг может произвести революцию в промышленности, транспорте и энергетической инфраструктуре, а также способствовать усилиям, направленным на борьбу с изменением климата и создание более устойчивого и экологически сознательного будущего. Это связано с тем, что доступный зеленый водород может оказать преобразующее воздействие на общество, смягчая воздействие на окружающую среду, создавая рабочие места и обеспечивая энергетическую безопасность посредством диверсифицированных и устойчивых энергетических решений», — предполагает профессор Джанг.

Таким образом, высокореакционноспособный и каталитически стабильный катализатор RuO2 для кислотного OER обладает повышенной долговечностью и благоприятными характеристиками и обладает огромным потенциалом для разработки надежных и активных электрокатализаторов OER без иридия для практического применения!

Источник

Метки: Катализаторы