Сколковский институт науки и технологий, Университет Техаса в Остине и Массачусетский технологический институт сообщают об открытии нового катализатора, существенно повышающего эффективность электролитического разложения воды в щелочных растворах. Выделение кислорода и водорода из воды путем электролиза является ключевым процессом для бурно развивающихся технологий производства возобновляемой и экологически чистой энергии, основанных на использовании водорода. Результаты работы опубликованы в престижном журнале Nature Communications.

Широкое применение электролиза воды в современной энергетике требует решения ряда технологических проблем, таких как высокое энергопотребление, высокая стоимость электролизеров и ограниченный срок их работы. В частности, возможности крупномасштабного применения ограничены высокой стоимостью катализаторов на основе благородных металлов, таких как платина и иридий.

«Реакция выделения кислорода из воды остается существенной проблемой не только электролизеров, но и топливных элементов и металл-воздушных батарей. Если бы мы разработали катализатор разложения воды на водород и кислород на основе дешевых и доступных материалов, мы бы получили коммерчески выгодный метод производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии. Например, это позволило бы нам сконструировать автомобиль, работающий на воде, с пробегом, сопоставимым с пробегом автомобилей, использующих газ в качестве топлива»- утверждает первый автор работы Т. Меффорд. «Чтобы разработать такие катализаторы, мы должны на атомном уровне понять процессы и факторы, влияющие на их работу и характеристики».

Команда исследователей под руководством проф. К. Стивенсона синтезировала ряд перовскитоподобных оксидов кобальта и лантана, свойства которых можно контролируемо изменять путем замещения части лантана на стронций. Используя самые современные методы просвечивающей электронной микроскопии, исследователи провели детальное изучение структуры материалов на поверхности и в объеме кристаллов (проф. А. Абакумов, Сколтех). Полученные данные были использованы для математического моделирования реакции электролиза воды в щелочных растворах (проф. А. Колпак, МТИ). В результате команда сформулировала два наиболее важных критерия, определяющих функциональные свойства катилизатора: степень ковалентности связи кобальт-кислород (энергетическая близость валентных электронов кобальта и кислорода) и концентрация кислородных вакансий (позиций в кристаллической структуре материала, которые должны были бы быть заняты атомами кислорода, но остаются вакантными в активном катализаторе). Основываясь на этих критериях, команда Стивенсона предложила смешанный кислород-дефицитный оксид кобальта и стронция, SrCoO2.7, в качестве основы для катализатора, в 20 раз более активного в электролизе воды, чем лучший промышленный катализатор IrO2 при намного меньшей стоимости.

Центральным фактором повышения каталитической активности предполагается участие кислородных атомов поверхности кристалла в каталитических процессах. Хотя дальнейший прогресс в увеличении активности катализаторов электролиза воды потребует дополнительной работы, полученные результаты уже привели к более глубокому пониманию механизмов работы таких катализаторов и позволили сформулировать стратегию их дизайна. «Сейчас в наших руках находится прототип улучшенного катализатора щелочного электролиза воды, дающий нам импульс для преодоления затруднений на пути к успешному внедрению электролизеров, топливных элементов и батарей» — считает проф. Стивенсон.