Создан нанокатализатор для преодоления ограничений технологии электролиза воды

Зеленый водород можно получить с помощью технологии электролиза воды, которая использует возобновляемую энергию для разделения воды на водород и кислород без выделения углекислого газа. Однако стоимость производства зеленого водорода в настоящее время составляет около 5 долларов за килограмм, что в два-три раза выше, чем у серого водорода, получаемого из природного газа.

Для практического использования зеленого водорода необходимы инновации в технологии электролиза воды для реализации водородной экономики, особенно в Корее, где использование возобновляемых источников энергии ограничено в силу географических причин.

Исследовательская группа доктора Кюн Чжун Юна из Центра исследования энергетических материалов Корейского института науки и технологий (KIST) разработала нанокатализатор для высокотемпературного электролиза воды, который может сохранять высокую плотность тока более 1А/см² в течение длительного времени при температуре выше 600 градусов. В то время как механизмы деградации наноматериалов при высоких температурах до сих пор оставались неуловимыми, команда определила фундаментальные причины аномального поведения наноматеиралов и успешно решила проблемы, в конечном итоге улучшив производительность и стабильность в реальных ячейках электролиза воды.

Технологию электролиза можно разделить на низкотемпературный и высокотемпературный электролиз. В то время как низкотемпературный электролиз, работающий при температуре ниже 100 градусов Цельсия, уже давно разработан и является технологически более зрелым, высокотемпературный электролиз, работающий при температуре выше 600 градусов Цельсия, обеспечивает более высокую эффективность и рассматривается как технология следующего поколения с большим потенциалом дальнейшего снижения стоимости. Однако ее коммерциализации препятствует отсутствие термической стабильности и недостаточный срок службы из-за высокотемпературной деградации, такой как коррозия и структурная деформация.

В частности, нанокатализаторы, которые широко используются для улучшения работы низкотемпературных электролизеров воды, быстро разрушаются при высоких рабочих температурах, что затрудняет их эффективное использование для высокотемпературного электролиза воды.

Чтобы преодолеть это ограничение, команда разработала новую технологию синтеза нанокатализаторов, которая подавляет образование вредных соединений, вызывающих высокотемпературную деградацию. Систематически анализируя наноразмерные явления с помощью просвечивающей электронной микроскопии, исследователи выявили специфические вещества, вызывающие серьезные структурные изменения, такие как карбонат стронция и оксид кобальта, и успешно удалили их, добившись высокой стабильности нанокатализаторов с точки зрения химических и физических свойств.

Когда команда применила нанокатализатор в высокотемпературной ячейке электролиза воды, он более чем в два раза увеличил скорость производства водорода и проработал более 400 часов при температуре 650 градусов без разрушения. Эта технология также была успешно применена к практической электролизной ячейке для воды большой площади, что подтверждает ее большой потенциал для масштабирования и коммерческого использования.

Наши новые наноматериалы достигли высокой производительности и стабильности в технологии высокотемпературного электролиза воды, и это может способствовать снижению стоимости производства зеленого водорода, делая его экономически конкурентоспособным по сравнению с серым водородом в будущем, — заключает доктор Кюнгджонг Юн из KIST.

Для коммерциализации мы планируем разработать автоматизированные технологии обработки для массового производства в сотрудничестве с производителями промышленных элементов.

28.12.2023