Японские исследователи разработали катализатор для экологически чистого водорода

Специалисты из Университета Тохоку в Японии представили катализатор, который значительно увеличивает эффективность и стабильность реакции выделения кислорода (OER) в кислых средах. Это открытие может сыграть ключевую роль в развитии технологий получения «зелёного» водорода.

Коллектив исследователей под руководством доцента Хао Ли из Института передовых материалов (WPI-AIMR) при Университете Тохоку разработал тройной оксидный катализатор Ru3Zn0.85W0.15Ox (RZW). Этот катализатор устраняет давнюю проблему, связанную с достижением высокой каталитической активности и долговечности в кислых условиях.

Реакция выделения кислорода является основополагающей в процессе расщепления воды для получения водорода, который считают перспективным источником экологически чистой энергии. Тем не менее стандартные катализаторы зачастую неспособны обеспечить высокую производительность и стабильность в кислых средах.

Новый катализатор RZW применяет уникальные электроноакцепторные свойства вольфрама (W) и «жертвенный» характер цинка (Zn) для оптимизации параметров OER. Исследование продемонстрировало, что в процессе начальной стадии OER цинк растворяется из катализатора, выделяя электроны, которые поглощаются вольфрамовыми частицами. Это стимулирует накопление электронов на рутениевых участках, усиливая каталитическую активность.

Несмотря на растворение цинка, катализатор сохраняет свою структурную целостность и эффективность благодаря стабилизирующему влиянию вольфрама, который преимущественно занимает мостиковые позиции и поддерживает активные рутениевые конфигурации.

Для анализа структурных и электронных характеристик катализатора в условиях OER исследователи использовали интеграцию экспериментальных методик, таких как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (HRTEM) и преобразование Фурье расширенной тонкой структуры рентгеновского поглощения (FT-EXAFS). Кроме того, были выполнены теоретические расчёты с применением теории функционала плотности (DFT).

Выводы показали, что быстрое растворение цинка значительно улучшается перенос электронов, увеличивая как активность OER, так и долговременную стабильность катализатора.

«Наше открытие демонстрирует, как стратегическое легирование вольфрамом и использование цинка в качестве жертвенного металла может значительно улучшить характеристики катализаторов OER», — подчеркнул Хао Ли. «Эти результаты предполагают, что данный подход открывает перспективные возможности для создания высокоэффективных и экономически выгодных катализаторов для производства «зелёного» водорода, что имеет решающее значение для перехода к возобновляемым источникам энергии».

Следующий этап исследований будет заключаться в тестировании катализатора RZW в полномасштабных электролизных системах для оценки его функционирования в реальных условиях и связывания фундаментальных исследований с практическим использованием технологий водородного производства.

Источник: iXBT