В МФТИ разработали новый катализатор, который может сделать производство водорода из воды более доступным и эффективным. Работа опубликована в научном журнале Fuel и посвящена созданию материала на основе соединений марганца, селена и неодима.
Водород часто называют одним из ключевых видов топлива будущего. При его использовании не образуется углекислый газ. В идеальном случае продуктом реакции становится обычная вода. Однако сегодня широкому распространению «зелёного» водорода мешает высокая стоимость его производства. Один из наиболее экологичных способов – электролиз воды, при котором вода расщепляется на водород и кислород с помощью электрического тока. Для эффективной работы электролизёров необходимы вещества, ускоряющие химическую реакцию (катализаторы).
Лучшие катализаторы для получения водорода обычно содержат платину и другие благородные металлы. Они работают эффективно, но стоят дорого. По этой причине учёные по всему миру ищут более дешёвые и устойчивые альтернативы
В новой работе учёные МФТИ предложили использовать в качестве катализатора гетероструктуру, состоящую из селенида марганца и оксида неодима. Это не просто смесь двух веществ, а материал, в котором разные компоненты соприкасаются друг с другом и за счёт этого усиливают полезные свойства системы.
«Наши опытные испытания в ходе экспериментов показали, что новый катализатор эффективно работает в щелочной среде. Для достижения стандартной плотности тока 10 мА/см² ему потребовалось всего 83 мВ дополнительного напряжения. Чем меньше это значение, тем меньше энергии теряется в процессе получения водорода. Кроме того, материал смог работать при более высокой плотности тока 100 мА/см² при напряжении 152 мВ и сохранял стабильность в течение 80 часов испытаний», – рассказал соавтор исследования, профессор кафедры молекулярной и клеточной биологии ФБМФ МФТИ, член-корреспондент РАН, д.б.н Сулейман Аллахвердиев.
По мнению авторов, такие перспективные характеристики связаны с особой структурой материала. На границе селенида марганца и оксида неодима возникает взаимодействие, которое облегчает движение электронов и делает поверхность катализатора более активной. Пористая структура также помогает: она увеличивает площадь контакта материала с раствором, что физически создаёт больше мест, где может образовываться водород.
Практическое значение работы заключается в том, что она показывает один из возможных путей к созданию более дешёвых катализаторов для водородной энергетики. Пока речь идёт о лабораторном исследовании, а не о готовом промышленном устройстве. Однако такие материалы могут стать основой для новых поколений электролизёров, если дальнейшие испытания подтвердят их долговечность, масштабируемость и экономическую эффективность.
Разработка подобных катализаторов важна для перехода к низкоуглеродной энергетике. Чем дешевле и эффективнее будет производство водорода из воды с использованием возобновляемой электроэнергии, тем ближе станет его применение в промышленности, транспорте и системах хранения энергии.