Водородные технологии — один из ключевых способов получить чистую энергию. Среди них топливные элементы с протонообменной мембраной (PEM) и электролизеры воды (PEMWE) считаются самыми перспективными. Они эффективно производят и используют водород, но их массовое внедрение тормозит высокая стоимость, в основном из-за дорогих катализаторов на основе платины.

Китайские ученые Шуйюнь Шэнь и Цзюньлян Чжан из Шанхайского университета Цзяо Тун разобрались, как улучшить работу этих устройств. Оказалось, многое упирается в одну проблему — транспорт кислорода внутри каталитических слоев.

Результаты опубликованы в издании Nano-Micro Letters.

Почему это важно

В топливных элементах кислород движется через катодный каталитический слой (CCL). Чем меньше платины, тем дешевле система, но если кислород плохо проходит, КПД падает. Ученые нашли способы оптимизировать структуру пор и распределение иономеров — полимеров, проводящих заряды. Например, добавление порообразователей и новых углеродных носителей снижает сопротивление.

Иономер — это особый полимер, который проводит ионы, но не электроны. В топливных элементах он помогает переносить протоны через мембрану, а в электролизерах участвует в разделении воды на кислород и водород.

В электролизерах проблема похожая, только кислород выделяется на аноде (ACL). Здесь важно создать стабильный промежуточный слой, который не разрушается. Оптимизация взаимодействия иономеров и катализаторов помогает сделать систему надежнее.

Как это работает

• Пористая структура — можно использовать шаблоны (например, наночастицы), чтобы создать каналы для кислорода.
• Иономеры — если изменить их состав, кислород будет проходить легче. Например, добавление полибензимидазола (PBI) улучшает распределение.

Что дальше

Теперь главное — масштабировать технологии. Если удастся снизить стоимость и повысить КПД, водородная энергетика станет ближе к реальности.

Работа дает практические решения:

• Уменьшает количество платины в топливных элементах, снижая их стоимость.
• Улучшает КПД электролизеров, делая производство водорода дешевле.
• Показывает, как проектировать материалы для энергетики будущего.

Исследование фокусируется на лабораторных решениях, но не учитывает сложности массового производства. Например, методы контроля пор требуют точного оборудования, что может быть дорого в промышленных масштабах.

Ранее ученые предложили конструкцию катодного композита для твердотельных батарей.