Растущий мировой спрос на чистую энергию и опасения по поводу изменения климата активизировали поиск устойчивых альтернатив. Водород становится многообещающим решением благодаря своей высокой энергоемкости и нулевым выбросам углерода. Производство водорода методом щелочного электролиза воды эффективно и экологично, однако его зависимость от пресной воды ограничивает крупномасштабное внедрение. Использование морской воды является практичной альтернативой, но высокая концентрация хлоридов ускоряет коррозию катализаторов и снижает эффективность, создавая серьезные проблемы.
Для решения этой задачи исследовательская группа под руководством доцента Хэсон Чана из Университета Чунан и профессора Сиен Лю из Циндаоского университета науки и технологий разработала прочный и экономичный электрокатализатор. Он способен обеспечивать высокопроизводительное выделение водорода в соленой среде. «Щелочной электролиз воды, хотя и экономически привлекателен из-за недорогих катализаторов из недрагоценных металлов, сталкивается с серьезными проблемами, включая медленную кинетику реакции и коррозию, что препятствует коммерциализации, – делится мотивацией доктор Чан. – Наше исследование направлено на разработку экономически жизнеспособной и стабильной технологии производства чистого водорода для преодоления этих критических барьеров». Результаты их работы были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Ученые разработали катализатор на основе рутения (Ru), который преодолевает ограничения традиционных платиновых или рутениевых аналогов. Используя специальную стратегию синтеза, они создали нанокластеры рутения с уникальной гетероструктурой, поддерживаемые на азотсодержащем углеродном носителе. Такая архитектура обеспечивает сверхтонкое распределение частиц рутения, наличие многочисленных активных центров и повышенную стабильность. Эта конструкция гарантирует, что катализатор остается высокоэффективным и устойчивым к деградации.
Электрохимические испытания продемонстрировали выдающуюся производительность. Катализатор показал крайне низкое перенапряжение – показатель, говорящий о высокой энергоэффективности. Долговечность была подтверждена стабильной работой в течение более 250 часов. Что особенно важно, катализатор проявил исключительную устойчивость к коррозии в имитации морской воды, сохранив стабильность более 100 часов с минимальным снижением производительности. По этим показателям он превзошел коммерческие аналоги на основе платины и рутения.
В целом, конструкция нового катализатора обеспечивает ему исключительную стойкость к коррозии под воздействием хлоридов, а азотсодержащая углеродная подложка предотвращает окисление и слипание частиц рутения. В совокупности эти особенности позволяют наладить экономически эффективное и масштабируемое производство водорода непосредственно из морской воды. Такой подход снижает зависимость от пресной воды и ископаемого топлива, поддерживая декарбонизацию в энергоемких отраслях.
«Наш прорыв позволяет использовать электролиз для прямого производства водорода из морской воды с помощью устойчивых к хлоридам катализаторов, открывая огромные ресурсы океана для генерации чистой энергии, – подчеркнул профессор Лю. – Усовершенствованные системы щелочного электролиза демонстрируют поразительную экономическую жизнеспособность, что делает производство водорода значительно более рентабельным».
Эта работа создает основу для разработки катализаторов, которые одновременно решают проблемы активности, стабильности и коррозии. «Наша технология ускорит усилия по смягчению последствий изменения климата, обеспечив быструю декарбонизацию транспортного, промышленного и энергетического секторов», – отметил доктор Чан. Открывая возможность эффективного и долговечного электролиза морской воды, это исследование предлагает план по устойчивому производству водорода из океанических ресурсов, прокладывая путь к созданию крупномасштабной инфраструктуры зеленого водорода.
