Рост эффективности бифункциональных катализаторов удешевит производства водорода

Ученые преодолели ограничения долговечности бифункциональных катализаторов для одновременного получения водорода и кислорода.

Д-р Хенг-Сук О и д-р Вонг-Хи Ли из Исследовательского центра чистой энергии Корейского института науки и технологий (KIST) в сотрудничестве с POSTECH и Университетом Йонсей разработали методику улучшения обратимости и долговечности электродов с использованием бифункциональных катализаторов из платино-никелевого сплава с октаэдрической структурой, в которых одновременно протекают реакции восстановления и генерации кислорода.

Бифункциональные катализаторы — это новое поколение катализаторов, которые одновременно производят водород и кислород из воды с помощью одного катализатора. В настоящее время в электрохимических системах, таких как технология электролиза воды и CCU (улавливание и утилизация углекислого газа), используются отдельные катализаторы для обоих электродов, что приводит к высокой удельной стоимости производства водорода. С другой стороны, бифункциональные катализаторы, которые могут быть синтезированы в одном производственном процессе, привлекают внимание как технология, способная снизить производственные затраты и повысить экономическую эффективность технологий электрохимического преобразования энергии.

Однако проблема бифункциональных катализаторов заключается в том, что после каждой электрохимической реакции, в результате которой образуются водород и кислород, производительность других реакций снижается из-за структурных изменений в материале электрода. Поэтому для коммерциализации бифункциональных катализаторов важно обеспечить обратимость и долговечность, которые позволят сохранить структуру катализатора в течение длительного времени после реакции.

Чтобы повысить обратимость и долговечность бифункционального катализатора, команда синтезировала катализаторы из сплавов с различной структурой путем смешивания платины и никеля, которые обладают высокой производительностью в реакциях восстановления и генерации кислорода соответственно. Результаты эксперимента показали, что взаимодействие никель-платина наиболее активно в октаэдрической структуре, а сплавные катализаторы более чем в два раза превосходят монолиты платины и никеля в реакциях восстановления и генерации кислорода.

Исследователи определили, что причиной ухудшения характеристик является оксид платины, образующийся в ходе повторной реакции генерации на сплавном катализаторе, и разработали методику восстановления структуры для восстановления оксида платины до платины. Команда подтвердила с помощью просвечивающей электронной микроскопии, что методика восстановила форму катализатора, а в экспериментах с реактором большой площади для коммерциализации команде удалось восстановить форму катализатора и увеличить время его работы более чем в два раза.

Ожидается, что бифункциональные катализаторы и методология восстановления структуры ускорят коммерциализацию технологии унифицированных возобновляемых топливных элементов (URFCs) за счет замены отдельных катализаторов для реакций выделения и восстановления кислорода на бифункциональные катализаторы. УРТЭ, способные производить как водород, так и электроэнергию, могут снизить себестоимость производства за счет сокращения расхода дорогостоящих катализаторов при сохранении производительности.

Технология улучшения обратимости и долговечности катализаторов открыла новое направление для разработки бифункциональных катализаторов, что является важной технологией для систем электрохимического преобразования энергии, — заключает Хенг-Сук О, ведущий исследователь KIST.

Это будет способствовать коммерциализации и углеродной нейтральности электрохимических систем, таких как URFC, в будущем.

18.03.2024