Инновационные электроды для производства водорода: снижение затрат

Ученые из Чиба Университета (Япония) разработали метод, который может значительно удешевить производство водорода путем модификации платиновых электродов. Исследователи добавили к платине органические молекулы, известные как пурины, которые входят в состав ДНК и РНК. Это изменение повысило эффективность реакции выделения водорода (HER) почти в 4,2 раза, что позволит существенно снизить потребность в дорогостоящей платине.

Ведущие исследователи, доктор Сюнносукэ Танака и профессор Масаси Накамура, представили свою работу, которая может привести к созданию более доступных и практичных систем для электролиза воды. Их открытие опубликовано в International Journal of Hydrogen Energy.

«Платина — это ресурс с ограниченными запасами, что создает проблему для широкого применения платиновых катализаторов в электролизе воды и топливных элементах. Значительное сокращение использования платины в электрохимических устройствах станет важным шагом к практическому применению катализаторов для электролиза воды», — отмечает профессор Накамура.

Процесс получения водорода из воды путем электролиза, казалось бы, прост: вода расщепляется на водород и кислород под действием электрического тока. Однако одной из главных проблем является высокая стоимость этого процесса. Для масштабирования технологии Министерство энергетики США поставило цель достичь стоимости 1 доллар за килограмм водорода к 2030 году, а промежуточную цель в 2 доллара за килограмм — к 2025 году. Аналитики подчеркивают, что для достижения этих показателей потребуется существенное снижение стоимости электроэнергии и повышение эффективности электролизеров.

В условиях щелочной среды, где ионы водорода (H+) доступны не так легко, катализатор должен сначала разрушить связь OH в молекуле воды, чтобы получить адсорбированный водород. Этот дополнительный шаг требует больше энергии. Известно, что кофеин, являющийся пуриновым основанием, способствует распаду и адсорбции водорода на катоде в щелочных условиях.

Основываясь на этом, японские исследователи изучили реакцию HER на монокристаллических платиновых электродах, модифицированных различными пуриновыми основаниями, включая кофеин, ксантин, пурин, теофиллин и теобромин. Эксперименты показали, что пурин и теофиллин дали наибольший эффект, увеличив активность HER в 4,2 и 5 раз соответственно.

Эффективность пуриновых оснований зависела от их химической структуры. Молекулы с метильными группами, такие как кофеин, теофиллин и теобромин, повышали активность HER при умеренном покрытии, но агрегировали при более высоком, блокируя активные центры. Напротив, пурин и ксантин, не имеющие метильных групп, не агрегировали и стабильно повышали активность HER.

Исследование с использованием дифракции рентгеновских лучей и квантово-химических расчетов (теория функционала плотности) показало причину такого улучшения. Когда пурин адсорбируется на поверхности платины, молекулы воды вокруг него образуют водородные связи с атомами азота пурина, создавая структуру, похожую на клетку. Эта структура облегчает перенос ионов OH– от поверхности, быстро удаляя их и снижая энергетический барьер для HER.

Применение модифицированного пурином катализатора Pt/C к коммерческим платиновым катализаторам Pt/C показало в 3,2 раза более высокую активность HER по сравнению с неот модифицированным катализатором в щелочном растворе гидроксида лития 0,1 М.

Эта разработка может сделать производство водорода значительно более доступным, используя природные и широко распространенные вещества для повышения активности дорогих электродов. Более того, эта стратегия приближает нас к достижению целевых показателей стоимости производства водорода к 2030 году.

«Электролиз воды с использованием возобновляемой энергии необходим для достижения углеродной нейтральности. Высокоактивный катализатор электрода, разработанный в этом исследовании, приведет к снижению затрат и повышению энергоэффективности систем электролиза воды», — резюмирует профессор Накамура.