Выжигание осмия из иридиево-осмиевого сплава позволило создать катализатор, который значительно ускоряет расщепление воды под действием электрического тока. Группа ученых из США и Южной Кореи получила такой материал и показала, что его стабильность почти в тридцать раз превышает стабильность других иридиевых катализаторов. Статья опубликована в Nature Communications.

Водород используется во многих областях, например, для синтеза аммиака, метанола, мыла и пластмасс, и даже при производстве ракетного топлива. Поскольку при сжигании водорода не образуется ничего, кроме воды, водородное топливо является экологически чистым и привлекательным альтернативным источником энергии, в том числе для автомобилей и самолетов. 

Один из способов получить чистый водород — это электролиз воды. При расщеплении 18 грамм воды производится более 11 литров кислорода и 22 литров водорода (при нормальных условиях). Этот процесс идет не очень быстро, поэтому ученые разрабатывают различные катализаторы, которые ускоряют расщепление воды. Причем борьба здесь идет не только за увеличение скорости расщепления, но и за долговечность, поскольку образующийся при электролизе кислород быстро окисляет катализатор и ослабляет его полезные свойства.

N. Markovic et. al. / Nature Communications

В новой статье группа ученых под руководством Ненада Марковица (Nenad M. Markovic) сообщает о создании иридиевого катализатора, который не только ускоряет расщепление воды, но и довольно долго остается стабильным. Чтобы сделать такой катализатор, исследователи изготовили множество иридиево-осмиевых сплавов с различными концентрациями компонентов. Затем они выжигали из сплава осмий с помощью дискового электрода (Stationary Probe Rotating Disk Electrode, SPRDE). В результате возникала пористая иридиевая структура с большой площадью активной поверхности и практически нулевым содержанием осмия.

Эволюция структуры сплава при «выжигании» осмия. N. Markovic et. al. / Nature Communications

Эволюция структуры сплава при «выжигании» осмия. N. Markovic et. al. / Nature Communications

Эволюция структуры сплава при «выжигании» осмия. N. Markovic et. al. / Nature Communications

Интересно, что во всех случаях осмий выгорал сравнительно быстро — во всех случаях его количество падало до величины порядка десяти микрограмм на квадратный сантиметр в течение десяти минут. Ученые объясняют это неспособностью осмия образовать стабильный оксид при потенциалах больше одного вольта. В то же время, масса иридия в сплаве уменьшалась более чем в сто раз медленнее. Концентрацию металлов ученые контролировали с помощью масс-спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer ICP-MS).

Наконец, ученые сравнили активность и стабильность синтезированных катализаторов и отобрали из них лучший. Им оказался материал, полученный из сплава Ir₂₅Os₇₅. Активность и проводимость его были сравнимы с активностью «плоского» катализатора, состоящего из иридиевых пластин, зато стабильность оказалась выше почти в тридцать раз. Разумеется, материал с низким содержанием осмия сильнее ускорял расщепление воды, чем исходный сплав, поскольку он имел большую активную поверхность.

Сравнение активности обычного катализатора (слева) и полученного в данной работе (справа). N. Markovic et. al. / Nature Communications

Сравнение стабильности обычного катализатора (слева) и полученного в данной работе (справа). N. Markovic et. al. / Nature Communications

Исследователи объясняют повышенную стабильность полученного материала следующим образом. Во-первых, из-за небольшого размера пор (порядка десяти нанометров) они быстро насыщаются ионами иридия, что не дает металлу окисляться и растворяться в воде. Во-вторых, во время окисления атомы выстраиваются в наиболее энергетически выгодную структуру, что усложняет дальнейшее разрушение катализатора.

Помимо иридия, расщепление воды на кислород и водород также катализирует множество других веществ. Например, подобными свойствами обладает двуокись церия CeO₂. Недавно мы писали о том, как химики объяснили успешность этого вещества как катализатора с помощью конфигурационной энтропии, описывающей беспорядок в распределении электронов в молекуле. Кроме того, недавно ученые увеличили чистоту водорода, получаемого при электролизе морской воды, с помощью асимметричных электродов.

Автор: Дмитрий Трунин