Экономия иридия

Иридий — идеальный катализатор для электролитического производства водорода из воды, но он чрезвычайно дорог. Новый тип электрода из высокопористого материала отлично справляется с задачей, используя лишь следовые количества иридия.

В современных протонообменных мембранных (PEM) электролизёрах ключевая задача — снизить количество высокоактивного, но редкого благородного металла иридия, сохранив выход водорода. Эта технология имеет преимущества: тонкая катализаторная мембрана делает ячейку компактной, отсутствие жидкого электролита минимизирует обслуживание, возможна работа при повышенном давлении и динамическая нагрузка для интеграции с возобновляемыми источниками энергии.

Однако у технологии есть серьёзный недостаток: образование кислорода на аноде требует использования оксида иридия (IrO₂) в качестве катализатора. IrO₂ стабилен и эффективен, но сам иридий встречается реже золота или платины и столь же дорог. Альтернативы, сопоставимой по долговременной стабильности и активности, пока не найдено.

Достаточно капли иридия

Химики из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) в рамках кластера передовых исследований e-conversion совместно с командой из Исследовательского центра Юлиха увеличили выход водорода в 8 раз (по сравнению с коммерческим референсным электродом), используя новый высокопористый материал в качестве катализатора. Это означает, что можно создать электролизёр с той же эффективностью, что и у современных систем, но требующий лишь 10% от текущего количества иридия.

Разработка велась в рамках исследовательской сети Kopernikus Power-2-X при поддержке Федерального министерства образования и научных исследований Германии. Система использует новый высокопористый оксидный носитель, на котором иридий равномерно диспергирован в виде тонкой плёнки, легко доступной для молекул воды и обладающей высокой каталитической активностью.

Загрузка катализатора в каждую пору

Команда сначала синтезировала наноструктурированные проводящие микрчастицы оксида олова, легированного сурьмой. Эти частицы служат высокопористым каркасом для связывания катализатора. Затем был приготовлен водный коллоидный раствор наночастиц оксида иридия, которые загружались в пористые микрчастицы с помощью сольвотермальной реакции при высокой температуре и давлении. Это привело к восстановлению частиц оксида иридия до металлического Ir. Заключительный этап термического окисления привёл к образованию наночастиц оксида иридия внутри пор металлического каркаса. Сканирующая электронная микроскопия подтвердила, что каждая полость в каркасе покрыта тонкой плёнкой катализатора.

Электроды, покрытые новым материалом, показали отличные результаты: активность по генерации водорода на грамм связанного иридия превысила показатель коммерчески доступного PEM-электролизёра в 8 раз.

Как отмечает первый автор статьи Даниэль Бём, процедура синтеза имеет большое преимущество: «Теперь мы можем сосредоточиться на оптимизации каждого параметра по отдельности. К регулируемым факторам относятся состав, структура и размер пор материала, его проводимость и уровень загрузки иридием. В итоге мы получим высокоактивную, полностью оптимизированную систему. Все этапы синтетического пути также совместимы с требованиями промышленного производства, поэтому подход может быть готов к техническому применению в относительно короткие сроки».

Материал, используемый в настоящее время в коммерческих электролизёрах, должен соответствовать очень высоким стандартам для обеспечения стабильной работы в течение многих лет. Профессор Дина Фаттахова-Рольфинг из Исследовательского центра Юлиха сообщает, что уже запланированы проекты по решению этой проблемы: «Сначала мы хотим синтезировать ещё более стабильные катализаторы с помощью новых наноархитектур. А затем мы хотели бы исследовать, как свойства этих материалов ведут себя в рабочих условиях в течение более длительных периодов времени».