Недавно Индия запустила первый в мире завод по производству водорода с использованием ядерной энергии в Центре атомных исследований Индиры Ганди в Калпаккам, Тамилнад. В отличие от других установок, которые зависят от электричества, новый комплекс использует тепло, генерируемое ядерным реактором, для получения водорода. Водород представляет собой топливо с чистым сгоранием, способное заменить ископаемое топливо. Он обладает высокой плотностью энергии, почти в три раза превышающей бензин, и выделяет только водяной пар.
Тем не менее, водород не встречается в природе свободно и должен извлекаться из таких источников, как вода. Ученые по всему миру ищут эффективные способы расщепления молекулы воды и извлечения водорода.
В рамках прорыва исследователи из Индийского технологического института (IIT) Бомбей создали высокоэффективный и недорогой катализатор, который может значительно улучшить производство зеленого водорода. Команда разработала новый материал, сочетающий кобальт, никель, фосфат и графит, который эффективно производит водород и кислород из воды.
Одним из самых простых методов расщепления молекулы воды является электролиз, при котором через воду пропускают электрический ток для разделения ее на водород и кислород. Этот процесс запускает две реакции: реакцию выделения водорода (HER) на катоде, которая генерирует газообразный водород, и реакцию выделения кислорода (OER) на аноде, которая производит газообразный кислород. Однако этот процесс сталкивается со значительными кинетическими барьерами, требующими большого количества энергии для начала работы. Эти барьеры можно снизить с помощью катализаторов, которые ускоряют реакции, не расходуясь при этом.
В настоящее время золотым стандартом для этих реакций являются драгоценные металлы, такие как платина, рутений и иридий. Хотя они очень эффективны, эти благородные металлы дефицитны, чрезвычайно дороги и склонны к деградации со временем в жестких рабочих условиях.
Доктор Сави Чаудхари, исследователь IIT Бомбей и первый автор исследования, объясняет: «Основной мотивацией было разработать эффективный и долговечный катализатор из распространенных элементов для общего расщепления воды».
Для создания нового катализатора исследователи применили метод молекулярного прекурсорного инжиниринга — технику, которая включает проектирование высокоспецифичных молекул и металлических соединений, служащих строительными блоками или прекурсорами для более сложных материалов. По словам доктора Чаудхари, «подход молекулярного прекурсора имеет преимущество, поскольку он позволяет точно контролировать состав и однородность получаемого материала, одновременно обеспечивая его преобразование в активный катализатор в относительно мягких условиях».
Сначала были созданы отдельные металлокомплексы фосфатов кобальта и никеля. Затем эти комплексы смешали с атомарно тонкими слоями углерода, называемыми эксфолиированным графитом, и осторожно нагрели смесь. Когда тепло разрушило углеродные части металлокомплексов, остался идеально смешанный, аморфный слой фосфата кобальта-никеля, равномерно распределенный по проводящим графеновым листам. Конечным результатом стал бифункциональный катализатор, который одновременно выполняет обе половины реакции расщепления воды.
Профессор Рамаசாமி Муругавель, профессор IIT Бомбей и соответствующий автор исследования, отмечает: «Сочетание кобальта и никеля обеспечивает бифункциональную активность как к HER, так и к OER, в то время как проводящая графеновая подложка усиливает транспорт заряда и способствует эффективному использованию активного материала».
Аморфная природа этого материала означает, что его атомы расположены хаотично, а не упорядоченно, как в кристалле. Это также повышает его производительность, поскольку его беспорядочная структура создает большую площадь поверхности, которая служит идеальными местами для закрепления как HER, так и OER.
Доктор Чаудхари комментирует: «Мы изначально ожидали, что комплексы образуют кристаллические фосфатные материалы. Вместо этого образовалась аморфная фаза фосфата Co-Ni с отличной однородностью. Интересно, что комбинация аморфного смешанного металлического фосфата и эксфолиированного графита привела к значительному усилению электрокаталитической активности».
Во время испытаний новый катализатор непрерывно работал в течение 72 часов практически без снижения производительности. Однако исследователи заметили, что поверхность катализатора претерпела структурную трансформацию во время реакции производства кислорода, потеряв часть фосфата для образования новых кислородсодержащих металлосоединений. Но вместо того, чтобы деградировать катализатор, эта поверхностная реконструкция фактически помогла поддерживать его высокую активность.
Профессор Муругавель утверждает: «Поверхностная реконструкция выявила важную особенность фосфатно-основанных катализаторов: в каталитических условиях поверхность реконструируется в более активные оксигидроксидные виды, в то время как лежащая в основе фосфатная структура помогает поддерживать химическую стабильность и структурную целостность».
Разработка этого надежного, доступного катализатора может помочь обеспечить устойчивое энергетическое будущее. Отказавшись от зависимости от дорогих благородных металлов и доказав, что недорогие, высокоактивные материалы могут быть спроектированы в лаборатории, это исследование приближает мир к производству дешевого, нулевого по выбросам водородного топлива для питания наших домов, транспортных средств и промышленности. Что еще более важно, команда считает, что процесс, используемый для изготовления катализаторов, может представлять собой важное достижение в производстве более точных материалов.
Доктор Чаудхари заключает: «Мы считаем, что самое важное послание этой работы заключается в том, что молекулярный прекурсорный инжиниринг предлагает мощный и универсальный путь для разработки передовых электрокатализаторов».