Китайские исследователи разработали новый катализатор с графеновым покрытием и сверхнизким содержанием платины, обеспечивающий высокоэффективное производство «зеленого» водорода в промышленных масштабах.
В крупномасштабном производстве «зеленого» водорода ключевую роль играет процесс электролиза воды с использованием протонообменной мембраны. Наиболее распространенным материалом, используемым вместе с углеродом, является платина, которая выступает в качестве катодного катализатора. Платина эффективно связывает водород и обладает высокой устойчивостью к кислым средам. Однако использование большого количества платины делает производство водорода таким образом очень дорогостоящим и ограничивает его широкое использование.
Группа китайских исследователей под руководством профессора Дехуэй Дэна и профессора Лян Юй из Далянского института химической физики (DICP) Китайской академии наук (CAS) работала с профессором Цзюньлином Лу из Китайского университета науки и технологий и профессором Хунмэй Юй из DICP над разработкой катализатора с высокой эффективностью и стабильностью для использования в производстве кислотного водорода. Ученым удалось создать уникальный катализатор типа «кольчуга», состоящий из наносплава кобальта и никеля, который разместили в одном слое графена.
Ученые выяснили, что перенос электронов из сплава кобальта и никеля происходит в окружающий углеродный слой. Этот процесс в сочетании с электронным взаимодействием 3d-2p приводит к накоплению на поверхности графена неравномерного распределения π-электронных состояний, что играет решающую роль в улучшении каталитических свойств.
После осаждения отдельных атомов платины с использованием метода атомно-слойного осаждения, обогащенные асимметричные π-электроны продемонстрировали уникальный эффект ограничения атомов платины. Перенос электронов от сплава никеля и кобальта к платине через графеновый слой приводил к образованию электронно-богатого центра платины, что оптимизировало энергию адсорбции водорода и способствовало его десорбции, тем самым повышая каталитическую активность. Кроме того, сильные взаимодействия между асимметричными π-электронами и 5d-орбиталью платины усиливали структурную стабильность центров платины, повышая долговечность катализатора.
Используя этот катализатор, исследователи собрали водный электролизер с протонообменной мембраной-электродом, достигшей сверхвысокой плотности тока 4,0 А·см-2 при 2,02 В и сохранившей превосходную долговечность более 1 тыс. часов при 2 А·см-2, используя всего 1,2 мкг платины на см2. Они также собрали электролизер воды с ПЭМ-электродом мощностью 2,85 кВт, используя этот катализатор, который стабильно проработал более 300 часов при промышленной плотности тока 1,5 А·см-2.
Результаты исследования опубликованы в журнале Joule
Источник: SciTechDaily
Сообщить об опечатке
Текст, который будет отправлен нашим редакторам: