Созданы сверхстабильные катализаторы для получения водородного топлива
Фото: Misael Moreno / Unsplash
Ученые Городского университета Гонконга разработали новый сверхстабильный электрокатализатор реакции выделения водорода (англ. hydrogen evolution reaction, HER), который состоит из двухмерных нанолистов, изготовленных из минерального гидрогеля. Катализатор не содержит драгоценных минералов и может быть произведен в промышленных масштабах, что снизит цену на водородное топливо в будущем. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
В настоящее время для проведения HER применяются дорогостоящие катализаторы, содержащие благородные металлы. Более привлекательной альтернативой являются так называемые одноатомные катализаторы (SAC), активный центр которых состоит из изолированного атома металла и расположен на твердом носителе из углерода, оксидов или сульфидов. SAC отличаются высокой активностью, атомной эффективностью и низким расходом катализатора, однако довольно сложны в изготовлении. Процесс включает в себя внедрение одиночных атомов металла в подложку с последующей термической обработкой выше 700 градусов Цельсия.
В новой работе ученые представили SAC, в котором для изготовления подложки используются не пористые металлоорганические каркасы или углеродные каркасы, а нанолисты минерального гидрогеля, не содержащего ни драгоценные металлы, ни углерод. Сначала раствор полиоксометалловой кислоты (PMo), содержащей молибден, смешивался с ионами трехвалентного железа при комнатной температуре, после чего с помощью центрифугирования удалялись излишки воды. В результате образовывалась гелевая сеть — сшитые полимерные цепочки железо-фосфомолибденовой кислоты (FePMoG).
Чтобы получить готовую положку, FePMoG подвергали фосфатизации: термической обработке при 500 градусов Цельсия с добавлением гипофосфита натрия. В результате образуется одноатомный дисперсный гетерогенный листовой катализатор Fe/SAs@Mo-based-HNS. Эксперименты показали, что он проявляет превосходную электрокаталитическую активность со значением перенапряжения всего 38,5 милливатта при плотности тока 10 миллиампер на квадратный сантиметр. Он также демонстрирует сверхстабильность без ухудшения характеристики в течение 600 часов непрерывной работы при плотности тока до 200 миллиампер на квадратный сантиметр.
По словам ученых, это один из лучших результатов, достигнутых электрокатализаторами HER, не содержащими драгоценных металлов. Fe/SAs@Mo-based-HNS представляет собой эффективную альтернативу подверженным коррозии катализаторам, содержащим углерод, для использования в топливных элементах с протонообменной мембраной и других современных энергетических технологиях.