Исследователи добились прогресса в разработке катализаторов на основе иридия, используемых в электролизе воды с протонообменной мембраной (PEMWE) — процессе, используемом для получения зеленого водорода из возобновляемых источников энергии. Команда обнаружила механизм с участием воды на решетке, который может повысить эффективность катализатора на основе оксида иридия на 5-12%, что приводит к увеличению выхода энергии и снижению ее энергопотребления.
Ученые повысили эффективность катализаторов на основе иридия, используемых в производстве зеленого водорода, на 5-12%. Это снижает необходимое количество иридия, редкого элемента, делает процесс более рентабельным и продвигает усилия по созданию общества с нулевым выбросом углерода.
Гонка за широкое использование прерывистой возобновляемой энергии стала реальностью благодаря новым исследованиям экспертов из Университета Аделаиды, которые повышают эффективность катализаторов на основе иридия.
«В настоящее время коммерческим катализаторам на основе оксида иридия трудно одновременно достичь высокой активности и стабильности в электролизе воды с протонообменной мембраной (PEMWE)», — сказал доцент Университета Аделаиды Яо Чжэн, будущий научный сотрудник ARC, Школа химического машиностроения.
«Мы обнаружили, что механизм с участием воды на решетке — способ расположения молекул воды в определенном порядке — повышает эффективность катализатора на основе оксида иридия на 5-12 процентов, что приводит к более высокому выходу энергии при меньшем потреблении энергии.
«Расщепление воды с помощью PEMWE — многообещающий метод получения зеленого водорода. Однако можно использовать только электрокатализаторы на основе иридия, поскольку этот элемент может выдерживать жесткие кислотные условия, возникающие во время реакции».
Использование возобновляемой электроэнергии является одним из наиболее привлекательных решений для производства зеленого водорода, особенно с использованием технологии PEMWE, которая может работать с быстрым откликом и высокой плотностью тока. Водород называют топливом будущего с низким уровнем выбросов.
Иридий — один из самых редких элементов на Земле. Он встречается в природе в несвязанном виде в отложениях, отложенных реками. Он коммерчески извлекается как побочный продукт рафинирования никеля. В земной коре существует очень тонкий слой иридия. Южная Африка является крупнейшим производителем иридия.
«Поскольку мировое производство иридия очень ограничено, очень важно уменьшить количество, используемое в этих типах катализаторов», — сказал доцент Чжэн.
«Благодаря механизму обмена кислорода с использованием воды на решетке, который показывает возможность как более высокой эффективности, так и стабильности в водном электролизере с протонообменной мембраной, количество иридия может быть уменьшено, а стоимость производства зеленого водорода может быть эффективно снижена.
«Наши результаты не только подтверждают жизнеспособность анодного катализатора на основе иридия с низкой нагрузкой для PEMWE, но также предлагают новые идеи для модификации механизма кислородного обмена для конструкции катализатора высокоэффективной реакции выделения кислорода (OER).
«Благодаря более дешевому зеленому водороду можно было бы как можно скорее построить углеродно-нейтральное общество, а связанные с климатом проблемы можно было бы эффективно уменьшить».
Работа команды была проведена на фундаментальном уровне. Необходимо провести дальнейшие исследования о том, как масштабировать новый синтез. Их выводы опубликованы в журнале Научные достижения.
Ссылка: «IrOx·nH2O с кислородным обменом на решетке для высокоэффективного электролизера с протонообменной мембраной» 23 июня 2023 г., Научные достижения.
DOI: 10.1126/sciadv.adh1718