Ученые создали и испытали эффективный катализатор расщепления воды, предсказанный теорией

Важные новости

Ученые создают и тестируют эффективный катализатор расщепления воды, предсказанный теорией

На этой схеме показано, как катализатор, состоящий из нескольких слоев оксида иридия (IrOx) на подложке из нитрида титана (TiN), может эффективно производить кислород (O2), ионы водорода (H+) и электроны (e-) из молекул воды. (H2O) в кислом электролите. Эта «реакция выделения кислорода» является более сложной из двух реакций, необходимых для расщепления воды с получением газообразного водорода (H2). Фото: Тянью Моу/Брукхейвенская национальная лаборатория

Водород (H2) — многообещающее топливо для сокращения выбросов парниковых газов, особенно если он производится с использованием возобновляемых источников энергии для расщепления молекул воды (H2O). Но каким бы простым ни казалось разделение воды на водород и кислород, химия сложна.

Каждая из двух отдельных одновременных электрохимических реакций требует катализаторов, химических «посредников», которые помогают разрывать и восстанавливать химические связи. Теперь ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Колумбийского университета говорят, что они разработали новый эффективный катализатор для более сложной части: реакции выделения кислорода.

Как описано в статье только что опубликованный в Журнале Американского химического общества, катализатор был разработан «снизу вверх» на основе теоретических расчетов, направленных на минимизацию количества иридия, дорогого металла, используемого в качестве каталитического материала, и для максимизации стабильности катализатора в кислых условиях.

Когда команда создала модели катализатора и протестировала их в лаборатории, результаты подтвердили предсказания. Затем ученые изготовили катализатор в виде порошка, подобного тем, которые используются в промышленности, и показали, что он может эффективно производить водород в электролизере разделения воды.

«В этом реальном испытании наш катализатор примерно в четыре раза лучше, чем современный коммерчески доступный иридиевый катализатор», — сказал Цзингуан Чен, инженер-химик Колумбийского университета, работающий по совместительству в химическом отделе Брукхейвенского университета. Лаборатория, которая руководила исследованием. Другими словами, новый катализатор требует в четыре раза меньше иридия для производства водорода с той же скоростью, что и коммерческий вариант, или производит водород в четыре раза быстрее при том же количестве иридия.

Химик-теоретик Брукхейвенской лаборатории Пин Лю, руководивший расчетами, лежащими в основе конструкции катализатора, сказал: «Это исследование демонстрирует, как можно перейти от теоретического понимания того, что происходит на атомном уровне, к разработке катализатора для практического использования. Работа дает нам лучшее понимание того, как работает этот катализатор, и приближает нас к реальному применению».

Остающаяся задача — расширить производство.

«Мы всего лишь производство миллиграммов катализатора за партию», — сказал Чен. «Если вы хотите производить мегатонны зеленого водорода, вам понадобятся килограммы или тонны катализатора. Мы пока не можем сделать это в таких больших масштабах».

Сокращение иридия

Иридий является предпочтительным катализатором реакции выделения кислорода, которая происходит на аноде электролизера. Он обеспечивает электрически заряженные активные центры, которые отделяют прочно связанные ионы водорода (H+) от кислорода (O). Помимо высвобождения ионов H+, которые способствуют созданию резко кислых условий реакции, в результате реакции образуется газообразный кислород (O2) и электроны. Эти электроны необходимы для второй, менее сложной реакции «выделения водорода»: спаривания ионов водорода с образованием газообразного водорода на катоде электролизера.

»Иридий в настоящее время является одним из единственных стабильных элементов для реакция выделения кислорода в кислоте», — сказал Чен. Это «прискорбно», отметил он, потому что «иридий еще более редок и дороже, чем платина».

Отсюда и мотивация к уменьшению количества иридия.

«В промышленных катализаторах, изготовленных из наноразмерных частиц, в реакции участвуют только атомы на поверхности», — сказал Чен. «Это означает, что большая часть иридия внутри частицы тратится впустую».

Возможно, вместо того, чтобы использовать частицу, полностью состоящую из иридия, катализатор можно было бы сделать из менее дорогого материала, содержащего иридий только на поверхности. на поверхности, рассуждала команда.

Команда изучала возможность использования земных элементов, таких как титан. Они обнаружили, что сочетание титана с азотом обеспечивает достаточную стабильность этих «нитридов титана», чтобы выдерживать кислые условия реакции. Возможно, нитрид титана мог бы служить ядром каталитических частиц, покрытых иридием.

Но сколько иридия следует наслаивать сверху? Здесь на помощь приходят теоретические расчеты.

Расчет идеальной конструкции

«Мы использовали расчеты «теории функционала плотности», чтобы смоделировать, как различные наложения иридия на нитрид титана будут влиять на стабильность и активность катализатора в условиях кислой реакции выделения кислорода», — сказал Лю. Для проведения моделирования она и ее команда использовали вычислительные ресурсы Центра функциональных наноматериалов (CFN) Брукхейвенской лаборатории и Национального научно-вычислительного центра энергетических исследований (NERSC) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США.

Расчеты предсказывали результаты. что одного слоя иридия будет недостаточно для запуска реакции выделения кислорода, но два или три слоя улучшат как производительность, так и каталитическую стабильность.

«Это были своего рода эксперименты по предварительному отбору», — сказал Лю. «Затем мы передали эти результаты скрининга экспериментальной группе, чтобы создать настоящие катализаторы и оценить их каталитическую активность».

Подтверждение прогнозов

Во-первых, команда создала тонкие пленки, в которых можно было создавать тщательно контролируемые слои, очень похожие на поверхности, используемые в расчетах теоретического моделирования. Они также создали порошкообразные образцы, состоящие из мелких наноразмерных частиц — ту форму, которую катализатор будет принимать в промышленных целях. Затем они изучили тонкие пленки, включая границы раздела между слоями, и наночастицы, используя различные методы.

Они включали просвечивающую электронную микроскопию в CFN и исследования рентгеновской спектроскопии в Quick X-ray. Линия поглощения и рассеяния (QAS) Национального источника синхротронного света II (NSLS-II), источника яркого рентгеновского излучения для расшифровки химических и физических свойств образцов.

«Наша гипотеза заключалась в том, что если иридий свяжется с нитридом титана, эта связь стабилизирует иридий и улучшит реакцию», — сказал Чен.

Исследование характеристик подтвердило предсказания.

«Синхротронные исследования выявили состояния окисления и локальную координационную среду атомов иридия и титана в условиях реакции», — сказал Чен. «Они подтвердили, что иридий и титан сильно взаимодействуют».

«Картирование элементов наночастиц в CFN подтвердило размеры и состав частиц, включая наличие оксидов иридия на поверхности подложек из нитрида титана», — добавил он.

Лю подчеркнул, что исследования характеристик предоставили ученым информацию. понимание катализатора.

«Мы обнаружили, что взаимодействие между иридием и титаном не только способствует стабильности катализатора, но и позволяет точно настроить его активность», — сказала она. «Заряды меняют химический состав таким образом, что реакция улучшается».

В частности, заряды, переносимые с титана на поверхность иридия, изменяют электронную структуру активных центров иридия, оптимизируя связывание промежуточных продуктов реакции, объяснила она.

«Переходя от одного к трем слоям иридия, вы увеличиваете Значительный перенос заряда от нитрида к верхнему иридию», — отметил Лю. Но разница между двумя и тремя слоями была не очень большой. Двух слоев может быть достаточно для обеспечения высокой стабильности, активности и низкой стоимости.

Ученые отметили, что, чтобы сделать этот катализатор готовым к использованию в реальных условиях, помимо решения проблемы расширения производства, можно также внести улучшения в оптимизацию консистенции порошков.

«Когда мы Делая тонкие пленки, мы можем контролировать слои, но при синтезе порошков у нас нет такого контроля», — сказал Чен. «Частицы нашего порошка не имеют вокруг себя сплошной иридиевой оболочки. Но это исследование дает рекомендации, которые промышленные химики могут использовать для создания настоящих структур ядро-оболочка с однородным тонким слоем иридия», — сказал он.

Такие катализаторы могут помочь снизить затраты на расщепление воды и приблизить ученых к производству больших количеств зеленого водорода.

Дополнительная информация: Сюэ Хан и др., Теоретическое прогнозирование и экспериментальная проверка IrOx, нанесенного на нитрид титана, для реакции выделения кислого кислорода, Журнал Американского химического общества (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c02936

Информация журнала: Журнал Американского химического общества

Предоставлено Брукхейвенской национальной лабораторией

Новости сегодня

Последние новости