Китайські дослідники розробили новий каталізатор з графеновим покриттям і наднизьким вмістом платини, що забезпечує високоефективне виробництво «зеленого» водню у промислових масштабах.

У великомасштабному виробництві «зеленого» водню ключову роль відіграє процес електролізу води з використанням протонообмінної мембрани. Найбільш поширеним матеріалом, що використовується разом з вуглецем, є платина, яка виступає у якості катодного каталізатора. Платина ефективно зв’язує водень і має високу стійкість до кислих середовищ. Однак використання великої кількості платини робить виробництво водню таким чином дуже вартісним і обмежує його широке використання.

Група китайських дослідників під керівництвом професора Дехуей Дена та професора Лян Юй з Далянського інституту хімічної фізики (DICP) Китайської академії наук (CAS) працювала з професором Цзюньліном Лу з Китайського університету науки і технологій і професором Хунмей Юй з DICP над розробкою каталізатора з високою ефективністю та стабільністю для використання у виробництві кислотного водню. Науковцям вдалось створити унікальний каталізатор типу «кольчуга», що складається з наносплаву кобальту та нікелю, що розмістили в одному шарі графену. 

Науковці з’ясували, що перенос електронів зі сплаву кобальту та нікелю відбувається в оточуючий вуглецевий шар. Цей процес у поєднанні з електронною взаємодією 3d-2p призводить до накопичення на поверхні графену нерівномірного розподілу π-електронних станів, що відіграє вирішальну роль у поліпшенні каталітичних властивостей.

Після осадження окремих атомів платини з використанням методу атомно-шарового осадження, збагачені асиметричні π-електрони продемонстрували унікальний ефект обмеження атомів платини. Перенесення електронів від сплаву нікелю та кобальту до платини через графеновий шар призводило до утворення електронно-багатого центру платини, що оптимізувало енергію адсорбції водню та сприяло його десорбції, тим самим підвищуючи каталітичну активність. Крім того, сильні взаємодії між асиметричними π-електронами та 5d-орбіталлю платини посилювали структурну стабільність центрів платини, підвищуючи довговічність каталізатора.

Використовуючи цей каталізатор, дослідники зібрали водний електролізер з протонообмінною мембраною-електродом, що досягла надвисокої щільності струму 4,0 А·см^-2 при 2,02 В і зберігла чудову довговічність більше 1 тис. годин при 2 А·см^-2, використовуючи всього 1,2 мкг платини на см². Вони також зібрали електролізер води з ПЕМ-електродом потужністю 2,85 кВт, використовуючи цей каталізатор, який стабільно пропрацював понад 300 годин при промисловій щільності струму 1,5 А·см^-2. 

Результати дослідження опубліковані у журналі Joule

Джерело: SciTechDaily