Новая стабильная вода

Исследователи разработали стабилизированный никелем анодный катализатор из диоксида рутения (Ni-RuO2) для электролиза воды с протонообменной мембраной (ПЭМ). Рутений — более распространенный драгоценный металл — служит многообещающей альтернативой более редкому и дорогому иридию, который в настоящее время является практическим анодным катализатором для электролиза.

Катализатор Ni-RuO2 проявляет высокую активность и долговечность в кислом ОЭР для электролиза воды ПЭМ. Хотя чистый RuO2 демонстрирует плохую кислотную стабильность ОЭР и разлагается в течение короткого периода непрерывной эксплуатации, введение Ni значительно стабилизирует решетку RuO2 и продлевает ее долговечность более чем на порядок.

На схеме показан экспериментальный электролизер воды, разработанный в Райсе для использования рутениевого катализатора, легированного никелем. Иллюстрация Чжэнь-Ю Ву

Статья о работе лаборатории химика и биомолекулярного инженера Хаотяня Ванга из Инженерной школы имени Джорджа Р. Брауна и его коллег из Университета Питтсбурга и Университета Вирджинии опубликована в журнале Nature Materials.

При нанесении на анод электролизера воды PEM наш катализатор Ni-RuO2 продемонстрировал стабильность >1000 часов при токе расщепления воды 200 мА см-2, что указывает на потенциал для практического применения. Исследования по теории функциональной плотности в сочетании с анализом операндо-дифференциальной электрохимической масс-спектроскопии подтвердили механизм выделения адсорбата на Ni-RuO2, а также решающую роль легирующих добавок Ni в стабилизации поверхностного Ru и подповерхностного кислорода для повышения долговечности OER.

По словам Ванга, иридий стоит примерно в восемь раз дороже, чем рутений, и на его долю может приходиться от 20% до 40% затрат при производстве коммерческих устройств, особенно в будущих крупномасштабных развертываниях.

Расщепление воды включает реакции выделения кислорода и водорода, в ходе которых поляризованные катализаторы перестраивают молекулы воды с выделением кислорода и водорода.

Катод очень стабилен и не представляет большой проблемы, но анод более подвержен коррозии при использовании кислого электролита. Обычно используемые переходные металлы, такие как марганец, железо, никель и кобальт, окисляются и растворяются в электролите. Вот почему единственным практичным материалом, используемым в коммерческих электролизерах воды с протонообменной мембраной, является иридий. Он стабилен в течение десятков тысяч часов, но очень дорог.

Лаборатория работает над улучшением своего рутениевого катализатора для его использования в современных промышленных процессах.

Теперь, когда мы достигли этого рубежа стабильности, наша задача состоит в том, чтобы увеличить плотность тока как минимум в 5-10 раз, сохраняя при этом такую ​​стабильность. Это очень сложно, но все же возможно.

Ежегодное производство иридия не поможет нам производить то количество водорода, которое нам необходимо сегодня. Даже использование всего иридия, произведенного в мире, просто не позволит генерировать то количество водорода, которое нам понадобится, если мы хотим, чтобы он производился посредством электролиза воды. Это означает, что мы не можем полностью полагаться на иридий. Нам необходимо разработать новые катализаторы, чтобы либо сократить его использование, либо полностью исключить его из процесса.

Боян Ли из Питтсбургского университета является соавтором статьи. Соавторы: аспирант Райс Пэн Чжу; аспирант Шэнь-Вэй Юй из Вирджинии; физик Цзоу Финфрок из Аргоннской национальной лаборатории; ученый Дебора Мотта Мейра из Аргонны и канадской компании Light Source; Выпускница Вирджинии Чжоуян Инь; и Цян-Цян Янь, Мин-Си Чен, Тянь-Вэй Сун и Хай-Вэй Лян из Университета науки и технологий Китая, Хэфэй. Соавторами-переписчиками являются Сен Чжан, доцент кафедры химии из Вирджинии, и Гофэн Ван, профессор механики и материаловедения из Питтсбурга. Хаотянь Ван — председатель попечительского совета Уильяма Марша в Университете Райса и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии.

Исследование было поддержано Фондом Уэлча (C-2051-20200401), Фондом Дэвида и Люсиль Паккард (2020–71371), Премией Роя Э. Кэмпбелла за развитие факультета, Национальным научным фондом (1905572, 2004808), Университетом Питтсбургский центр исследовательских вычислений и усовершенствованный источник фотонов Аргоннской национальной лаборатории.