Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики впервые показали, что дешевый катализатор может расщеплять воду и генерировать водород несколько часов подряд. Испытания показали, что он может быть отличной заменой существующим в настоящее время катализаторам.

Статья о разработке была опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Мембранный электролиз — это перспективный процесс получения водорода из содержащих этот газ жидкостей, например воды. Этот метод основан на использовании протонобменной мембраны (ПОМ) — полимерного материала, который обеспечивает проводимость ионов водорода, разделение газообразных продуктов, а также изоляцию электродов. Но развитие этой технологии не дошло до стадии масштабного производства из-за дороговизны используемых в устройстве катализаторов, таких как платина и иридий.

На протяжении многих лет ученые работали над созданием альтернатив катализаторам из драгоценных металлов для ПОМ-систем. Многие из них хорошо работали в лабораторных условиях, но ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC впервые продемонстрировали элемент, имеющий высокую производительность в коммерческом электролизере. Прибор был изготовлен исследовательским центром для фирмы Nel Hydrogen — крупнейшего в мире поставщика электролизного оборудования.

Команда ученых заменила платиновый катализатор на водородообразующей стороне на наночастицы фосфида кобальта, нанесенные на углерод с образованием мелкодисперсного черного порошка. Как и другие катализаторы, он понижает энергию начала реакции, увеличивая ее скорость. Катализатор оказался очень устойчив: в коммерческом элементе он прослужил 1700 часов и не показал при этом признаков существенной деградации.

Одним из наиболее важных элементов исследования было увеличение объема производства катализатора фосфида кобальта при сохранении его высокой однородности. Этот процесс включал синтез исходного материала на лабораторном стенде, его измельчение, выпекание в печи и, наконец, превращение мелкого черного порошка в чернила, которые можно было распылять на листы пористой копировальной бумаги. Полученные электроды загружали в электролизер для проведения испытаний на получение водорода.

«Производительность катализатора фосфида кобальта должна стать немного лучше, и объемы его синтеза еще предстоит увеличить, — сказала Кэтрин Айерс, вице-президент по исследованиям и разработкам в Nel и соавтор статьи. — Но я была удивлена тем, насколько стабильными оказались эти материалы. Даже при том, что их эффективность в производстве водорода была ниже, чем у платины, она была постоянной. Многие из используемых ранее соединений деградировали за то же время».