Ученые расшифровали, что производительность дорогостоящих иридиевых катализаторов определяется не столько их составом, сколько правильной методикой «активации» перед использованием. Это открытие способно ускорить переход к водородной энергетике, сделав экологичное топливо экономически более доступным.

«Зеленый» водород, получаемый путем расщепления воды на водород и кислород с помощью электроэнергии из возобновляемых источников, — один из главных претендентов на роль топлива будущего. Однако его массовому внедрению мешает высокая стоимость технологий, и значительную часть этой стоимости формирует иридий. Этот благородный металл незаменим в качестве катализатора для реакции выделения кислорода в современных электролизерах, но его редкость и цена сдерживают развитие всей отрасли.

Традиционный путь науки — поиск замены иридию на более дешевые материалы. Однако международная команда, куда вошли ученые из ЮФУ, Курчатовского института, Института катализа СО РАН (Россия) и HySA Infrastructure CoC, North-West University (Южно-Африканская Республика), предложила принципиально иное решение. Они сосредоточились на том, чтобы заставить имеющийся иридий работать с максимальной отдачей.

Проведя масштабное исследование, они обнаружили, что критически важным этапом является не столько синтез катализатора, сколько его подготовка к работе — так называемая активация. Именно выбранный протокол активации может кардинально изменить поверхность материала и, как следствие, его итоговую эффективность в устройстве.

«Наше исследование показывает, что не существует универсального подхода к активации катализатора. Разные методы активации по-разному изменяют поверхность катализатора: один может создать высокоактивный оксидный слой, а другой — сохранить ценные металлические центры. Понимание этого позволяет нам целенаправленно управлять свойствами катализатора, чтобы сделать его одновременно более активным и стабильным», — говорит старший научный сотрудник, к.х.н. Елизавета Могучих.

Работа, выполненная в лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» ЮФУ под руководством к.х.н. Анастасии Алексеенко в рамках государственного задания на 2023-2025 год №FENW-2023-0016, также показала, как условия синтеза влияют на материал.

«Одной из целей нашей работы был анализ влияния условий синтеза на конечный состав и микроструктуру иридиевых катализаторов. Чтобы максимально достоверно оценить вклад каждого фактора, на данном этапе мы сосредоточились на создании монометаллических материалов, что позволило исключить синергетические эффекты от сплавления с другими металлами», — отмечает старший научный сотрудник, к.х.н. Ангелина Павлец.

Важнейшим практическим результатом исследования стала разработка строгих методических стандартов.

«Мы наглядно показали, насколько критичен выбор правильных протоколов тестирования электрокатализаторов в стандартной трёхэлектродной ячейке для оценки их реальной эффективности. Кроме того, благодаря сотрудничеству с коллегами из Курчатовского института и центра HySA (ЮАР), нам удалось провести испытания в прототипе электролизера, которые продемонстрировали всю сложность перехода от лабораторных результатов к ресурсным испытаниям в условиях, приближенных к промышленным», – комментирует руководитель лаборатории, ведущий научный сотрудник, к.х.н. Анастасия Алексеенко.

«Исследование удалось выполнить в рамках широкой кооперации специалистов в области водородной энергетики из различных организаций на международном уровне. Такой подход позволят использовать сильные стороны каждого партнера и оптимизировать усилия для достижения цели», – отметили научные сотрудники HySA Infrastructure CoC, North-West University к.т.н. Артем Пушкарев, к.т.н. Ирина Пушкарева и директор, профессор Дмитрий Бессарабов.

Исследование, опубликованное в престижном журнале Chemical Engineering Journal, не только углубляет наше понимание электрохимических процессов, протекающих на поверхности иридия, но и задает новый методический стандарт для мирового научного сообщества. Оно предоставляет производителям электролизеров и научным группам четкие практические рекомендации по оптимизации протоколов тестирования иридий-содержащих катализаторов.

Эти результаты, рожденные в результате плодотворного сотрудничества между Россией и ЮАР, открывают перспективу для создания более дешевых и эффективных электролизеров, что является критическим шагом на пути к глобальной водородной экономике.

Исследование выполнено в рамках государственного задания ЮФУ на 2023-2025 год (№FENW-2023-0016).

Автор текста: Юлия Сопрунова