Ученые из Китайского университета нефти предложили использовать катализатор на основе рутения для производства «зеленого» водорода. Метод не уступает и даже иногда превосходит в эффективности способы, которые требуют платиновых катализаторов. Производство водорода с помощью возобновляемой энергии считается одним из ключевых способов снизить выбросы углекислого газа. Новый метод возможно позволит сделать промышленный электролиз воды проще и намного дешевле.
Сегодня платина считается одним из лучших катализаторов для получения водорода. Она ускоряет химическую реакцию, необходимую для расщепления воды на водород и кислород. Но есть две проблемы: платина относится к самым дорогим металлам, и ее запасы ограничены, что затрудняет масштабное производство оборудования. Одной из перспективных альтернатив может стать рутений. Он дешевле платины и хорошо подходит для работы в щелочной среде. Однако до сих пор ученые не могли решить другую проблему — наночастицы рутения постепенно слипались между собой и теряли активность.
Чтобы решить проблему, команда китайских исследователей создала трехмерный пористый углеродный каркас, легированный азотом. Внутри него закрепили ультратонкие наночастицы рутения. Такая конструкция одновременно выполняет сразу три задачи. Она не позволяет наночастицам объединяться между собой, надежно удерживает их на поверхности катализатора и изменяет электронные свойства рутения, благодаря чему водород выделяется быстрее. По словам авторов, именно сочетание этих трех механизмов позволило значительно повысить эффективность материала.
Во время лабораторных испытаний новый катализатор показал высокую эффективность даже при очень небольшом количестве рутения. Затем ученые протестировали катализатор в промышленной установке для щелочного мембранного электролиза воды.
Устройство стабильно работало 310 часов, деградация напряжения составила менее 5,6%, катализатор обеспечил плотность тока 1 А/кв.см при напряжении 1,90 В при температуре 30 градусов цельсия. По всем показателям разработка превзошла коммерческий катализатор на основе платины (Pt/C), который использовали для сравнения.
Сегодня водород считается одним из самых перспективных видов топлива для низкоуглеродной экономики. Его можно получать без выбросов углекислого газа, используя электричество из солнечных и ветровых электростанций. Однако высокая стоимость оборудования остается одним из главных препятствий для широкого распространения технологии. Авторы исследования считают, что предложенная конструкция катализатора поможет снизить зависимость отрасли от платины и сделать производство «зеленого» водорода дешевле.
