Эффективное массовое производство водорода из воды приближается к реальности благодаря исследователям Инженерного колледжа Университета штата Орегон и сотрудникам Корнельского университета и Аргоннской национальной лаборатории.

Ученые использовали передовые экспериментальные инструменты, чтобы получить более четкое представление об электрохимическом каталитическом процессе, который является более чистым и устойчивым, чем получение водорода из природного газа.

Результаты исследования были опубликованы сегодня в журнале Science Advances.

Водород содержится в широком спектре соединений на Земле, чаще всего соединяясь с кислородом для получения воды, и он выполняет множество научных, промышленных и энергетических функций. Он также встречается в виде углеводородов, соединений, состоящих из водорода и углерода, таких как метан, основной компонент природного газа.

"Производство водорода важно для многих аспектов нашей жизни, таких как топливные элементы для автомобилей и производство многих полезных химических веществ, таких как аммиак", - сказал Чжэньсин Фэн из штата Орегон, профессор химической инженерии, возглавлявший исследование. "Он также используется в рафинировании металлов, для производства искусственных материалов, таких как пластмассы, и для целого ряда других целей."

По данным Министерства энергетики, Соединенные Штаты производят большую часть своего водорода из источника метана, такого как природный газ, с помощью метода, известного как паровой метановый риформинг. Процесс включает в себя воздействие метана на пар под давлением в присутствии катализатора, создавая реакцию, которая производит водород и окись углерода, а также небольшое количество углекислого газа.

Следующая стадия называется реакцией сдвига воды и газа, в которой монооксид углерода и пар взаимодействуют через другой катализатор, образуя углекислый газ и дополнительный водород. На последней стадии адсорбции под давлением углекислый газ и другие примеси удаляются, оставляя после себя чистый водород.

"По сравнению с реформированием природного газа использование электроэнергии из возобновляемых источников для разделения воды на водород является более чистым и устойчивым", - сказал Фэн. "Однако эффективность расщепления воды низка, главным образом из—за высокого перенапряжения—разницы между фактическим потенциалом и теоретическим потенциалом электрохимической реакции-одной ключевой полуреакции в процессе, реакции выделения кислорода или OER."

Полуреакция - это либо одна из двух частей окислительно-восстановительной, либо восстановительно-окислительной реакции, в которой электроны переносятся между двумя реагентами; восстановление относится к получению электронов, окисление означает потерю электронов.

Понятие полуреакций часто используется для описания того, что происходит в электрохимической ячейке, а полуреакции обычно используются как способ сбалансировать окислительно-восстановительные реакции. Перенапряжение - это разница между теоретическим напряжением и фактическим напряжением, необходимым для того, чтобы вызвать электролиз—химическую реакцию, вызванную применением электрического тока.

"Электрокатализаторы имеют решающее значение для продвижения реакции расщепления воды путем снижения перенапряжения, но разработка высокоэффективных электрокатализаторов далеко не проста", - сказал Фэн. "Одним из главных препятствий является отсутствие информации об эволюционирующей структуре электрокатализаторов во время электрохимических операций. Понимание структурной и химической эволюции электрокатализатора во время ООР имеет важное значение для разработки высококачественных электрокаталитических материалов и, в свою очередь, энергетической устойчивости."

Фенг и его коллеги использовали набор передовых инструментов для изучения атомной структурной эволюции современного ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРА OER, иридата стронция (SrIrO3), в кислотном электролите.

"Мы хотели понять происхождение его рекордно высокой активности для OER—в 1000 раз выше, чем у обычного коммерческого катализатора, оксида иридия", - сказал Фэн. "Использование синхротронного излучения на основе рентгеновских установках в Аргоннской лаборатории, основанные рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на северо-западном участке инфраструктуры наноиндустрии в ОСУ, мы наблюдаем поверхностные химические и кристаллические-на-аморфный трансформации SrIrO3 в ходе ОЭР."

Наблюдения привели к глубокому пониманию того, что происходит за способностью иридата стронция так хорошо работать в качестве катализатора.

"Наше детальное открытие атомного масштаба объясняет, как активный слой иридата стронция образуется на иридате стронция, и указывает на критическую роль активации кислорода решетки и связанной ионной диффузии в образовании активных единиц OER", - сказал он.

Фенг добавил, что эта работа дает представление о том, как приложенный потенциал облегчает формирование функциональных аморфных слоев на электрохимической границе раздела и приводит к возможностям разработки более совершенных катализаторов.

ИСТОЧНИК