Новый электрокатализатор превосходит платину в производстве щелочного водорода
Новый катализатор на основе рутения, разработанный в Калифорнийском университете в Санта-Крус, продемонстрировал заметно лучшую производительность, чем коммерческие платиновые катализаторы в электролизе щелочной воды для производства водорода. Катализатор представляет собой наноструктурированный композитный материал, состоящий из углеродных нанопроводов с атомами рутения, связанными с азотом и углеродом для образования активных центров в углеродной матрице.
Электрохимическое расщепление воды для производства водорода является важным шагом в развитии водорода как чистого, экологически чистого топлива. Большая часть усилий по снижению стоимости и повышению эффективности этого процесса была сосредоточена на поиске альтернатив дорогостоящим катализаторам на основе платины.
В Калифорнийском университете в Санта-Крузе исследователи во главе с профессором химии и биохимии Шауэй Ченом занимались исследованием катализаторов, полученных путем включения рутения и азота в углеродные нанокомпозитные материалы. Их новые результаты, опубликованные 7 февраля в Nature Communications , не только демонстрируют впечатляющие характеристики их катализатора на основе рутения, но также дают представление о задействованных механизмах, которые могут привести к дальнейшим улучшениям.
«Это наглядная демонстрация того, что рутений может обладать замечательной активностью в катализировании производства водорода из воды», — сказал Чен. «Мы также охарактеризовали материал в атомном масштабе, который помог нам понять механизмы, и мы можем использовать эти результаты для рационального проектирования и конструирования катализаторов на основе рутения».
Электронная микроскопия и анализ элементного картирования материала показали наличие наночастиц рутения, а также отдельных атомов рутения в углеродной матрице. Удивительно, но исследователи обнаружили, что основными участками каталитической активности были отдельные атомы рутения, а не наночастицы рутения.
«Это был прорыв, потому что многие исследования связывают каталитическую активность с наночастицами рутения. Мы обнаружили, что отдельные атомы являются доминирующими активными центрами, хотя и наночастицы, и отдельные атомы способствуют активности», — сказал первый автор, аспирант Бинчжан Лу в лаборатории Чена в Калифорнийском университете в Санта-Круз.
Лу работал с соавтором Юанем Пингом, доцентом кафедры химии и биохимии, над теоретическими расчетами, показывающими, почему отдельные атомы рутения являются более активными каталитическими центрами, чем наночастицы рутения.
«Мы провели независимые расчеты, исходя из первых принципов, чтобы показать, как рутений образует связи с углеродом и азотом в этом материале и как это снижает реакционный барьер для улучшения каталитической активности», — сказал Пинг.
Чен сказал, что подал заявку на патент для экспериментального приготовления катализаторов на основе рутения. Он отметил, что в дополнение к потенциальным применениям для производства водорода в качестве части устойчивых энергетических систем, электролиз щелочной воды уже широко используется в химической промышленности, как и связанный процесс, называемый хлорщелочным электролизом, для которого также может быть использован рутениевый катализатор. , Таким образом, уже существует большой рынок для более дешевых и более эффективных катализаторов.
Электролиз воды для получения водорода может проводиться как в кислой, так и в щелочной среде, и каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Платиновые катализаторы намного более эффективны в кислых средах, чем в щелочных средах. По словам Чена, катализаторы на основе рутения работают почти так же хорошо, как платина в кислых средах, и превосходят платину в щелочных средах.
В будущей работе исследователи будут стремиться максимально увеличить количество активных сайтов в материале. Они могут также исследовать использование других металлов в той же нанокомпозитной платформе, сказал он.
