Водородные топливные элементы давно признаны чистой и высокоэффективной альтернативой ископаемому топливу, однако их широкое коммерческое внедрение сдерживается высокой стоимостью и дефицитом катализаторов на основе платины. Новое исследование предлагает перспективное решение этой проблемы – катализаторы на основе никеля, доступного и недорогого металла.
Главной сферой применения никеля могут стать щелочные анионообменные мембранные топливные элементы (AEMFCs). В отличие от традиционных протонообменных систем, они позволяют использовать более дешевые металлы. Однако до сих пор скорость реакции окисления водорода в щелочной среде была на несколько порядков ниже, чем в кислой, что ограничивало производительность таких ячеек. Никель, электронно схожий с платиной, считается наиболее привлекательной альтернативой, но его применению мешали проблемы с прочным связыванием водорода и окислением поверхности.
Комплексный обзор, опубликованный в журнале eScience исследователями из Хуачжунского университета науки и технологий, обобщает последние достижения в разработке никелевых катализаторов. В работе проанализированы механизмы их действия и предложена «дорожная карта» для создания высокоэффективных материалов. Ученые показали, что каталитическую активность можно значительно повысить за счет оптимизации электронной структуры, конфигурации поверхности и баланса между энергией связывания водорода и адсорбцией гидроксида.
В обзоре классифицируются различные пути усовершенствования никелевых катализаторов, включая создание сплавов, соединений, гетероструктур, систем «ядро–оболочка», а также применение легирования и специальных подложек. Среди успешных примеров выделяются сплавы никеля с медью, катализаторы MoNi₄, наночастицы нитрида никеля Ni₃N и мультисплавы с добавлением железа, кобальта, вольфрама и меди. Некоторые из этих систем уже приближаются к эффективности платины и даже превосходят ее по удельной активности, сохраняя при этом устойчивость к деградации и отравлению угарным газом (CO).
«Мы теперь понимаем, что никель – это не просто более дешевый заменитель, а настраиваемая каталитическая платформа, – отмечают авторы. – Сочетая теорию с продуманным структурным дизайном, мы можем управлять процессами на поверхности катализатора и целенаправленно создавать новые, более эффективные материалы». Исследователи подчеркивают, что дальнейший прогресс требует интеграции передовых методов моделирования, стандартизированных протоколов тестирования и спектроскопии в реальном времени для ускорения перехода от лабораторных образцов к промышленным устройствам.
Катализаторы на основе никеля открывают реальный путь к созданию недорогих водородных технологий – от транспортных средств и портативной электроники до систем распределенной генерации энергии. По мере того как активность и долговечность новых материалов будут расти благодаря инженерным решениям, никель может стать краеугольным камнем устойчивой водородной энергетики, помогая достичь глобальных целей по декарбонизации.
