Новый катализатор снижает стоимость зеленого водорода

В глобальной гонке по снижению выбросов углерода водород занимает одно из ведущих мест среди наиболее перспективных экологически чистых видов топлива. Однако, несмотря на его потенциал для питания промышленности и транспорта без выбросов углерода, устойчивое производство водорода в электролизерах воды было ограничено высокой стоимостью и дефицитом одного критически важного компонента — иридия.

Теперь команда исследователей из Университета Райса разработала новый катализатор, который значительно снижает количество иридия, необходимого в электролизерах воды с протонообменной мембраной (PEM) — ключевой технологии для производства зеленого водорода из воды. Их инновация — катализатор на основе оксида рутения, стабилизированный иридием, который использует всего одну шестую иридия по сравнению с традиционными системами, — сохраняет промышленный уровень производительности более 1500 часов непрерывной работы.

«Это значительный шаг к тому, чтобы сделать зеленый водород более доступным и масштабируемым», — говорит Хаотянь Ванг, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Райсе. «Сокращая использование иридия более чем на 80%, мы устраняем один из самых больших экономических и логистических барьеров в водородной экономике».

Современные электролизеры PEM в значительной степени полагаются на иридий, поскольку это один из немногих металлов, способных выдерживать жесткие кислые условия, необходимые для эффективного расщепления воды. Но иридий является одним из самых редких элементов на Земле — его цена составляет около 160 долларов за грамм, а мировое производство крайне ограничено.

«Без сокращения потребления иридия прогнозируемый спрос только со стороны электролизеров может превысить 75% мировых годовых поставок», — отмечает Ванг. «Это просто неустойчиво, если мы серьезно относимся к масштабированию производства водорода».

Для решения этой проблемы команда Райса, работая с промышленными партнерами из De Nora Tech, объединила методы теории функционала плотности и моделирования Монте-Карло для разработки новой атомной структуры, в которой атомы иридия стратегически встроены в решетку оксида рутения (RuO2). Эта структура обеспечивает стабильность из-под поверхности, что стало неожиданным открытием, позволившим исследователям добиться долговечной работы с гораздо меньшим количеством иридия.

«Наши симуляции показали, что атомы иридия в подповерхностном слое играют критическую роль», — говорит Томас Сенфтле, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Райсе. «Они помогают защитить атомы рутения над ними от растворения в экстремальных электрохимических условиях, по сути, укрепляя решетку изнутри».

Экспериментально команда синтезировала катализатор под названием Ru6IrOx, представляющий собой соотношение атомов рутения к иридию 6 к 1. Материал продемонстрировал исключительную долговременную стабильность, поддерживая плотность тока 2 ампера на квадратный сантиметр (промышленный эталон) в течение более 1500 часов с минимальной деградацией.

«Ключ к успеху — достижение равномерного распределения иридия по всей структуре оксида рутения», — подчеркивает Сенфтле. «Эта однородность обеспечивает стабильность, поскольку иридий помогает стабилизировать соседние атомы рутения в решетке оксида».

Эффективность катализатора была также подтверждена в соответствии со стандартами промышленного тестирования в PEM-электролизере площадью 25 квадратных сантиметров, эксплуатируемом De Nora Tech. В реальных условиях разработанный в Райсе катализатор демонстрировал стабильную работу при высоком токе и температуре, не уступая по активности катализаторам из чистого иридия, несмотря на использование лишь его малой доли.

«Наши результаты показывают, что для достижения долговечности нам не нужны катализаторы, богатые иридием», — заявляет Ванг. «Это открывает двери для массового производства экономически эффективных, высокопроизводительных PEM-электролизеров».

Экономические последствия впечатляют. Экономический анализ, проведенный командой, показал, что замена традиционного оксида иридия катализатором Ru6IrOx может сократить стоимость анодного катализатора более чем на 80%, одновременно снижая зависимость от колебаний цен на иридий.

Помимо экономики, исследование предлагает новую парадигму для разработки катализаторов: стабилизация материалов изнутри, а не защита их с поверхности.

«Эта работа подчеркивает, как теория и эксперимент могут работать рука об руку», — отмечает Сенфтле. «Объединив моделирование на атомном уровне с тщательным экспериментальным тестированием, мы смогли точно определить, как небольшое количество иридия может стабилизировать всю решетку оксида».

Этот прорыв может ускорить глобальное внедрение PEM-электролизеров, которые ценятся за свою эффективность и компактность, но ограничены в стоимости. Поскольку страны и компании инвестируют миллиарды в водородные хабы и проекты по декарбонизации, такие инновации, как низко-иридиевый катализатор из Райса, призваны сыграть решающую роль.

«Речь идет об устранении барьеров для входа в водородную экономику», — заключает Ванг. «Если мы сможем сделать электролизеры дешевле, долговечнее и менее зависимыми от дефицитных материалов, водород сможет стать поистине глобальным возобновляемым топливом».