Applied Catalysis: MXene поможет получать экономически выгодный зеленый водород

137 стран мира подписали соглашение об изменении климата. Они хотят прекратить использовать ископаемое топливо и достичь нулевого уровня выбросов углекислого газа к 2050 году.

Водород считают следующим «зелёным» источником энергии, так как при его использовании выделяются только вода и кислород.

Есть разные методы производства водорода. Их делят на серый, голубой и зелёный в зависимости от источника энергии и выбросов углерода. Самым экологичным является метод производства зелёного водорода — он позволяет получать водород без выбросов углерода путём электролиза воды с использованием экологически чистой энергии.

Исследовательская группа под руководством д-ра Альберта Сун Су Ли из Центра конвергентных исследований по решению проблем электромагнитных помех в мобильности будущего и Центра исследований архитектуры материалов Корейского института науки и технологий (KIST) совместно с группой профессора Чонг Мин Ку из Университета Сонгюнгван создали устойчивый к окислению MXene на основе молибдена.

Этот материал можно использовать как электрокаталитическую поддержку в электролизерах воды с анионообменной мембраной. Устойчивость к окислительным условиям высокого напряжения позволяет применять его в качестве носителя для катализаторов электролиза. Это может снизить стоимость производства зелёного водорода, поскольку материал также подходит в качестве электродного материала для реакции выделения кислорода при производстве зелёного водорода.

Распад воды на водород и кислород требует много энергии. Чтобы уменьшить начальную энергию реакции, используют катализатор. Чем меньше размер катализатора, состоящего из наноразмерных частиц, тем больше площадь его поверхности и тем быстрее протекает реакция.

Но со временем мелкие частицы катализатора могут объединяться, уменьшая свою поверхность и снижая эффективность производства водорода. Поэтому катализаторы и опоры используют вместе. Углерод применяют для катода, где производится водород. А при окислении на аноде углерод превращается в диоксид углерода. Опора должна быть устойчивой к окислению.

Одним из материалов, который может быть использован в качестве опоры, является MXene. Это наноматериал, состоящий из атомов металлов (титана, молибдена, гафния, тантала и т. д.) и атомов углерода или азота. Он проявляет электропроводящие свойства и имеет двумерную наноструктуру, подходящую для поддержки катализаторов. Благодаря этому MXenes благоприятны для производства водорода.

MXenes на основе титана были наиболее широко изучены благодаря их высокой электропроводности. Однако атомарная природа титана, который легко окисляется в воде, привела к тому, что катализатор не мог поддерживать высокую электропроводность. Чтобы преодолеть это, команда разработала новый анодный катализатор с опорой из MXene на основе карбида молибдена.

При использовании молибденового MXene в качестве опоры, между атомами молибдена на его поверхности и активными материалами кобальта образуются прочные химические связи. Это позволило увеличить эффективность производства водорода в 2,45 раза.

По сравнению с предыдущей работой на основе титанового MXene, долговечность элементарной ячейки улучшилась более чем в 10 раз. Это может снизить стоимость производства «зелёного» водорода. В будущем технология будет применяться на крупных заводах и электростанциях, работающих на „зелёном“ водороде.

Контролируя элементы, входящие в состав MXene, мы смогли найти подходящих кандидатов для среды производства зеленого водорода, и благодаря этому мы обеспечили стабильную поддержку MXene в окислительной среде, — сказал доктор Альберт Сун Су Ли из KIST.

В будущем мы внесем свой вклад в возрождение экономики, основанной на водороде, разработав катализаторы для кислородных электродов, обладающие каталитической эффективностью и долговечностью.

Результаты опубликованы в издании Applied Catalysis.

15.07.2024