Чистая и доступная энергия — мечта, к которой ученые всего мира идут уже не одно десятилетие. Новый шаг к ней сделали исследователи из Университета Тохоку, Япония, опубликовав свои результаты в журнале Advanced Energy Materials. Они предложили метод создания катодов, отрицательных электродов в электролизерах, из недорогих материалов без использования драгоценных металлов, что может серьезно удешевить производство водородного топлива.
В основе их работы лежит ускорение реакции выделения водорода, процесса, при котором образуется чистый водород для использования в качестве топлива. До сих пор главной проблемой было то, что катализаторы — вещества, ускоряющие реакцию — часто изготавливались из драгоценных металлов вроде платины, что делало технологию слишком дорогой для массового применения. Ученые решили использовать фосфиды переходных металлов, устойчивые и доступные по стоимости соединения.
Исследователи добавили фтор в структуру кобальт-фосфида, что позволило формировать вакансии, пустоты в местах атомов фосфора, на поверхности материала. Эти вакансии создают дополнительные активные участки, значительно ускоряющие процесс выделения водорода. Операндо-методы исследования, такие как рентгеновская абсорбционная спектроскопия и спектроскопия Рамана, подтвердили эффективность такого подхода.
Новый катод показал способность поддерживать работу на уровне около 76 ватт в течение более чем 300 часов в кислой среде, что является важным требованием для промышленных электролизеров. Более того, расчетная стоимость водорода, полученного с использованием этой технологии, составила 2,17 доллара США за килограмм, что всего на 17 центов выше целевого показателя, установленного Министерством энергетики США на 2026 год.
Команда также провела испытания на полноразмерной ячейке мембранного электролизера типа PEM, где использовали новый катод совместно с анодом из коммерческого оксида иридия. Результаты подтвердили, что технология жизнеспособна не только в лабораторных условиях, но и на коммерческом уровне, что существенно приближает ее к практическому использованию.
Ученые подчеркивают, что их работа не только приближает момент, когда производство водорода станет доступным и масштабируемым, но и открывает путь для создания новых типов катализаторов на основе недрагоценных металлов. Рациональный подход к проектированию катодов может стать ключом к массовому производству чистой энергии, необходимой для борьбы с изменением климата.
Эти исследования демонстрируют, как можно значительно удешевить процесс получения водорода без потери эффективности. И хотя предстоит еще решить задачи по масштабированию и оптимизации процессов, каждая такая разработка делает водородное будущее все более реальным.
Развитие технологий в энергетике происходит по всему миру. Пока японские ученые приближают водородное будущее, в России создают надежные источники питания, адаптированные к суровым условиям и требованиям стабильности.
