Исследователи приближаются к зеленому водороду через электролиз воды

Микроскопические исследования катализаторов, полученных из иридатов.Кредит: Катализ природы (2024).Doi: 10.1038/s41929-024-01187-4

Водный электролиз предлагает идеальный процесс для производства водорода, который может сыграть ключевую роль в глобальном энергетическом переходе, который все чаще зависит от возобновляемой электроэнергии, но чей текущий процесс производства является чрезвычайно углеродичным интенсивным.

В качестве источника энергии водород был в значительной степени неиспользованный из -за недооценки и отсутствия понимания катализаторов, используемых для его производства.Новое исследование исследователей Северо-Западного университета о наиболее перспективных изучаемых катализаторах, оксидах на основе иридия, позволило разработать новый катализатор, который поддерживает более высокую активность, более длительную стабильность и более эффективное использование иридия, что может сделать зеленую производство водорода.

Документ, опубликованный в журнале Nature Catalysis, комбинированные дополнительные методы характеристик на основе электронов и рентгеновских лучей, впервые определяют экспериментальные доказательства того, как изменяется поверхность оксида иридия во время электролиза воды.

«Теперь, когда мы, наконец, знаем природу этих активных сайтов на поверхностях этих материалов, мы можем разработать будущие катализаторы, которые оснащены только тремя структурами, которые мы определили для достижения оптимизированной производительности и более эффективного использования драгоценного иридиума», - сказал Линси Сейц.Северо -западный электрохимик и ведущий автор газеты.

Seitz - доцент кафедры химической и биологической инженерии в северо -западной школе инженерии Маккормика и экспертом в области возобновляемых источников энергии.

Этот «драгоценный иридий» является редким побочным продуктом добычи платины и единственным катализатором, который в настоящее время жизнеспособен для выработки зеленого водорода из -за резких рабочих условий реакции.

Вода -электролиз - процесс разрыва молекул воды с использованием электричества - VIA -технологии, называемой электролизом водного мембраны протоновых обменов (PEM), является многообещающим, потому что он может полностью работать на возобновляемой электроэнергетике, но реакция возникает в кислой среде, которая ограничивает типы катализаторовэто можно использовать.

Условия реакции также значительно изменяют структуру материалов катализатора на их поверхности.Эти реорганизованные поверхностные структуры катализатора были неуловимы для идентификации, потому что они быстро меняются в процессе электролиза воды и могут быть повреждены с помощью методов визуализации.

Предыдущие исследования имеют вычислительно прогнозируемые возможные типы соединений, которые могут присутствовать на поверхностях оксида иридия, но никогда не смогли предоставить прямые экспериментальные данные.

В настоящем исследовании три типа соединений, ранее описанные как «аморфные» (не имеющие обнаруживаемой структуры) после каталитической реакции, были обнаружены, имеют различные парацисталлические структуры и, как было обнаружено, наиболее ответственны за стабильность и активность катализатора.

Рабочий процесс команды Seitz значительно уменьшил урон от этих методов, чтобы обеспечить более точный анализ структур в сложных материалах.Во-первых, исследователи использовали микроскопию и рассеяние на основе электронов для идентификации структуры поверхности катализатора, как до, так и после процесса электролиза воды.Затем они подтвердили результаты с помощью рентгеновской спектроскопии с высоким разрешением и рассеяния.

«Мы очень рады расширить эти методы характеристики, чтобы строго проанализировать другие сложные, активные катализаторные материалы, чьи соответствующие активные структуры до сих пор были неуловимы для экспериментальной идентификации», - сказал Зейц.

«Эти фундаментальные идеи будут стимулировать проектирование высокопроизводительных катализаторов, которые могут оптимально использовать драгоценные металлы и содержание критических минералов».

Используя их новое понимание иридиума, команда смогла спроектировать катализатор, используя только паракристаллические структуры, которые были в три-четыре раза более эффективно, чем другие катализаторы на основе иридия во время первого измерения активности.

«Наши разработки помогут нам приблизить нас к устойчивому энергетическому будущему, где зеленый водород с помощью электролиза воды является реальностью, и широко распространенное развертывание этих новых технологий является более технологически и экономически целесообразным», - сказал Зейтц.

More information: Bingzhang Lu et al, Key role of paracrystalline motifs on iridium oxide surfaces for acidic water oxidation, Nature Catalysis (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01187-4