Разработан катализатор, повышающий эффективность получения водородного топлива

By | 25.08.2016

Thumbnail (3)

Широкое применение электролиза воды в современной энергетике требует решения ряда технологических проблем, таких как высокое энергопотребление и стоимость электролизеров (устройств для проведения электролиза), а также ограниченный срок их работы. В частности, возможности крупномасштабного внедрения водородной энергетики ограничены высокой стоимостью катализаторов электролиза на основе благородных металлов, таких как платина и иридий.

«Если бы мы разработали катализатор разложения воды на водород и кислород на основе дешевых и доступных материалов, мы бы получили коммерчески выгодный метод производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии. Например, это позволило бы нам сконструировать автомобиль, работающий на воде, с пробегом, сопоставимым с пробегом автомобилей, использующих газ в качестве топлива, – утверждает первый автор работы Т. Меффорд. – Чтобы разработать такие катализаторы, мы должны на атомном уровне понять процессы и факторы, влияющие на их работу и характеристики».

Команда исследователей под руководством профессора Стивенсона синтезировала ряд перовскитоподобных (перовскит это один из редких земных минералов – титанат кальция) оксидов кобальта и лантана, свойства которых можно контролируемо изменять путем замещения части лантана на стронций. С помощью просвечивающей электронной микроскопии исследователи, в частности, профессор Артем Абакумов из Сколтеха, детально изучили структуру материалов на поверхности и в объеме кристаллов.

Потом полученные данные использовали для математического моделирования реакции электролиза воды в щелочных растворах, проведенного в МТИ. В результате команда сформулировала два наиболее важных критерия, определяющих функциональные свойства катализатора: степень ковалентности связи кобальт–кислород (энергетическая близость валентных электронов кобальта и кислорода) и концентрация кислородных вакансий (позиций в кристаллической структуре материала, которые должны были бы быть заняты атомами кислорода, но остаются вакантными в активном катализаторе).

Основываясь на этих критериях, команда Стивенсона предложила смешанный кислород-дефицитный оксид кобальта и стронция, SrCoO2.7, в качестве основы для катализатора, в 20 раз более активного в электролизе воды, чем лучший промышленный катализатор IrO2 при намного меньшей стоимости.

«Теперь в наших руках находится прототип улучшенного катализатора щелочного электролиза воды, дающий нам импульс для преодоления затруднений на пути к успешному внедрению электролизеров, топливных элементов и батарей» – считает профессор Стивенсон.