Новый электрокатализатор превосходит платину

Катализатор представляет собой наноструктурированный композитный материал, состоящий из углеродных нанопроволок с атомами рутения, связанными с азотом и углеродом, образуя активные центры в углеродной матрице.

Электрохимическое расщепление воды с получением водорода является решающим шагом в разработке водорода в качестве чистого, экологически чистого топлива. Большая часть усилий по снижению стоимости и повышению эффективности этого процесса была сосредоточена на поиске альтернатив дорогостоящим катализаторам на основе платины.

В Калифорнийском университете Санта-Крус исследователи под руководством Шаовея Чена, профессора химии и биохимии, изучали катализаторы, изготовленные путем включения рутения и азота в нанокомпозитные материалы на основе углерода. Их новые результаты, опубликованные 7 февраля в Nature Communications, не только демонстрируют впечатляющую производительность их катализатора на основе рутения, но и дают представление о задействованных механизмах, которые могут привести к дальнейшим улучшениям.

"Это наглядная демонстрация того, что рутений может обладать замечательной активностью в катализе производства водорода из воды", - сказал Чен. "Мы также охарактеризовали материал в атомном масштабе, что помогло нам понять механизмы, и мы можем использовать эти результаты для рационального проектирования и разработки катализаторов на основе рутения".

Электронная микроскопия и элементный анализ материала показали наличие наночастиц рутения, а также отдельных атомов рутения в углеродной матрице. Удивительно, но исследователи обнаружили, что основными центрами каталитической активности были отдельные атомы рутения, а не наночастицы рутения.

"Это был прорыв, потому что многие исследования приписывали каталитическую активность наночастицам рутения. Мы обнаружили, что отдельные атомы являются доминирующими активными центрами, хотя как наночастицы, так и отдельные атомы вносят свой вклад в активность ", - сказал первый автор Бинчжан Лу, аспирант лаборатории Чена в Калифорнийском университете Санта-Крус.

Лу работал с соавтором Юань Пином, доцентом химии и биохимии, чтобы провести теоретические расчеты, показывающие, почему отдельные атомы рутения являются более активными каталитическими центрами, чем наночастицы рутения.

"Мы провели независимые расчеты на основе первых принципов, чтобы показать, как рутений образует связи с углеродом и азотом в этом материале и как это снижает реакционный барьер для повышения каталитической активности", - сказал Пинг.

Чен сказал, что он подал заявку на патент на экспериментальное получение катализаторов на основе рутения. Он отметил, что, помимо потенциальных применений для производства водорода в рамках систем устойчивой энергетики, электролиз щелочной воды уже широко используется в химической промышленности, как и связанный с ним процесс, называемый хлорно-щелочным электролизом, для которого также можно использовать рутениевый катализатор. Таким образом, уже существует большой рынок для более дешевых и эффективных катализаторов.

Электролиз воды для получения водорода может проводиться как в кислой, так и в щелочной среде, и каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Платиновые катализаторы гораздо более эффективны в кислых средах, чем в щелочных. Катализаторы на основе рутения работают почти так же хорошо, как платина в кислой среде, в то время как в щелочной среде они превосходят платину, сказал Чен.

В будущей работе исследователи будут стремиться максимизировать количество активных центров в материале. По его словам, они могут также исследовать использование других металлов в той же нанокомпозитной платформе.