Исследования конструкции катализаторов, проведенные Университетом штата Орегон, показали, что водород можно производить экологически чистым способом с гораздо большей эффективностью и с меньшими затратами, чем это возможно с помощью имеющихся в настоящее время коммерчески доступных катализаторов.
Катализатор - это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, не претерпевая при этом каких-либо необратимых химических изменений.
Выводы важны, потому что производство водорода важно для «многих аспектов нашей жизни, таких как топливные элементы для автомобилей и производство многих полезных химических веществ, таких как аммиак», - сказал Чжэнсин Фэн из инженерного колледжа OSU., профессор химической инженерии, который руководил исследованиями.«Он также используется при рафинировании металлов, производстве искусственных материалов, таких как пластмассы, и для ряда других целей».
Производство водорода путем расщепления воды с помощью электрохимического каталитического процесса является более чистым и устойчивым, чем традиционный метод получения водорода из природного газа с помощью процесса производства углекислого газа, известного как паровая конверсия метана, сказал Фэн. Но стоимость более экологичной техники была барьером на рынке.
Новые результаты, описывающие способы разработки катализаторов, которые могут значительно повысить эффективность процесса производства чистого водорода, были опубликованы в журналах Science Advances и JACS Au.
Ускоряя реакционные процессы, катализаторы часто претерпевают структурные изменения, сказал Фэн. Иногда изменения обратимы, иногда необратимы, и считается, что необратимая реструктуризация ухудшает стабильность катализатора, что приводит к потере каталитической активности, что снижает эффективность реакции.
Фэн, доктор философии ОГУ. студент Маою Ван и его сотрудники изучали реструктуризацию катализаторов в реакции, а затем манипулировали структурой их поверхности и составом в атомном масштабе, чтобы создать высокоэффективный каталитический процесс получения водорода.
Активная фаза катализатора на основе аморфного гидроксида иридия показала эффективность, в 150 раз превышающую эффективность его исходной перовскитной структуры и почти на три порядка лучшую, чем у обычного коммерческого катализатора - оксида иридия.
«Мы обнаружили, по крайней мере, две группы материалов, которые претерпевают необратимые изменения, которые оказались значительно лучшими катализаторами для производства водорода», - сказал Фэн. «Это может помочь нам производить водород по цене 2 доллара за килограмм и, в конечном итоге, 1 доллар за килограмм. Это дешевле, чем загрязняющие окружающую среду процессы в существующих отраслях промышленности, и поможет достичь цели Соединенных Штатов по нулевым выбросам к 2030 году».
Фэн отмечает, что U. S. Управление технологий водорода и топливных элементов Министерства энергетики установило эталонные показатели технологий, которые могут производить чистый водород по цене 2 доллара за килограмм к 2025 году и 1 доллар за килограмм к 2030 году в рамках программы Hydrogen Energy Earthshot по снижению стоимости чистого водорода на 80%. %, от 5 до 1 доллара за килограмм за одно десятилетие.
Технология электролиза воды для производства чистого водорода, над которой работает группа Фэна, использует электричество из возобновляемых источников для расщепления воды для получения чистого водорода. Однако эффективность расщепления воды низка, сказал он, в основном из-за высокого перенапряжения - разницы между фактическим потенциалом и теоретическим потенциалом электрохимической реакции - одной ключевой полуреакции в процессе, реакции выделения кислорода или ООР.
«Катализаторы имеют решающее значение для ускорения реакции разделения воды за счет снижения перенапряжения и, таким образом, снижения общей стоимости производства водорода», - сказал Фэн.«Наше первое исследование в JACS Au заложило для нас основу, и, как показано в нашей статье Science Advances, теперь мы можем лучше манипулировать атомами на поверхности для разработки катализаторов с желаемой структурой и составом».
Национальный научный фонд поддержал исследование Фэна через Северо-западную инфраструктуру нанотехнологий в OSU, а Министерство энергетики также предоставило финансирование.
С Фэном и Ваном сотрудничали исследователи из Аргоннской национальной лаборатории, Техасского университета, Пекинского университета, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Северо-Западного университета, Южно-Китайского технологического университета, Кембриджского университета, Калифорнийского университета в Беркли., и Наньянский технологический университет Сингапура.