Екип от изследователи, ръководен от Рюхей Накамура от Центъра за наука за устойчиви ресурси (CSRS) на най-големия изследователски институт в Япония - RIKEN, е постигнал значителен напредък в областта на устойчивото извличане на водород. В изследването им, публикувано в Nature Catalysis, е описан иновативен метод за извличане на водород от вода с помощта на специално създаден катализатор. Чрез манипулиране на триизмерната структура на катализатора те са постигнали забележително повишаване на стабилността и са удължили живота на самия него с почти 4000%. Този пробив има огромно значение за създаването на устойчива енергийна икономика, базирана на водорода.

Електролизата на вода с използване на протонно-обменни мембрани (PEM) е екологичен електрохимичен процес, при който водата се разделя на кислород и водород. Полученият водород може да се съхранява и да се използва по-късно, например за захранване на електромобил, когато се комбинира с PEM горивна клетка. Въпреки това PEM електролизата има ограничения, които възпрепятстват широкото ѝ използване в промишлеността, например в електроцентралите.

Пробив в електролизата на киселинна вода

Химичните реакции, необходими за този процес, протичат в силно кисела среда, а най-ефективните катализатори за тези реакции са изключително редки земни метали като иридия. Накамура обяснява: "Увеличаването на PEM електролизата до тераватни мащаби би изисквало запаси от иридий за 40 години, което със сигурност е непрактично и крайно неустойчиво."

Преди близо две години Накамура и екипът му разработват иновативен процес, който позволява електролиза на киселинна вода, без да се разчита на редкоземни метали. Чрез вмъкване на манган в решетка от кобалтов оксид те създават процес, който зависи единствено от обикновени и устойчиви земни метали. Въпреки този успех, процесът не е толкова стабилен, колкото се изисква в PEM електролизер. Въз основа на предишното си откритие обаче, сега те са разработили по-дълготраен катализатор, съдържащ много земни елементи.

Геоложкият водород – нова „златна треска“ или недоказана алтернатива?

Новият катализатор е форма на манганов оксид (MnO2), а изследователите установяват, че стабилността на реакцията може да се увеличи над 40 пъти чрез промяна на структурата на решетката на катализатора. Кислородът в триизмерната решетъчна структура на мангановия оксид е в две конфигурации: плоскостна и пирамидална. Те образуват по-силни връзки с мангана и изследователите откриват, че увеличаването на количеството на планарния кислород в решетката значително повишава каталитичната стабилност.

Тестове и резултати

Екипът тества четири различни манганови оксида, които варират по отношение на процентното съдържание на планарен кислород. При използване на версията с най-високия достижим процент - 94%, критичната реакция на отделяне на кислород може да се поддържа в киселина в продължение на един месец при 1000 mA/cm2. Общото количество пренесен заряд в този случай е 100 пъти по-голямо от всичко, наблюдавано в предишни изследвания.

При изпитване в PEM електролизатор електролизата на вода може да се поддържа в продължение на около шест седмици при 200 mA/cm2. Общото количество на електролизираната вода за този период от време, а следователно и количеството на произведения водород, е десет пъти по-голямо от постигнатото в миналото с други катализатори от нередки метали.

Шуанг Конг, съавтор на изследването, отбелязва: "Изненадващо, подобрената стабилност не е за сметка на активността, какъвто е обичайният случай. Водният електролизатор PEM, който генерира водород с катализатор от земни метали със скорост 200 mA/cm2 , е високоефективен."

Иновативна система превръща зеления водород в реална енергийна алтернатива

Пътят напред

Въпреки че все още има какво да се прави, изследователите са оптимистично настроени относно потенциала за осезаеми, реални приложения, които допринасят за въглеродна неутралност. Промишлените приложения обикновено изискват стабилна плътност на тока от 1000 mA/cm2 , която продължава няколко години, а не един месец.

Въпреки това Накамура е уверен за бъдещето, като заявява: "Ще продължим да модифицираме структурата на катализатора, за да увеличим както плътността на тока, така и живота на катализатора. В дългосрочен план усилията ни трябва да помогнат за постигането на крайната цел за всички заинтересовани страни - провеждане на PEM електролиза на вода без използване на иридий."