Водородный электролиз: дешевый и богатый фосфатом кобальта может заменить платину

Платина и иридий являются предпочтительными катализаторами для получения водорода путем электролиза. Но они дороги и редки, чтобы водород смог заменить газ по всему миру. Теперь исследователи из США Департамента Национальной лаборатории ускорителей SLAC энергетики и Стэнфордского университета показали впервые, что фосфат кобальта может сделать ту же работу в суровых условиях: высокие температуры, давления, плотности электрического тока и в чрезвычайно кислых условиях в течение длительных периодов. Хотя эффективность нового катализатора была ниже, чем у платины, она была постоянной. Электролиз может производить чистый зеленый водород, но его недостаточно. Большая часть водорода сегодня производится путем преобразования ископаемого топлива в процесс, который выделяет много углекислого газа. Может ли это быть одним из многих ключей, необходимых для разблокирования производства чистого водорода в масштабе?

Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета впервые показали, что дешевый катализатор может часами расщеплять воду и генерировать газообразный водород в суровых условиях промышленности.

Электролизерная технология, основанная на мембране из полимерного электролита (PEM), имеет потенциал для крупномасштабного производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии, но частично сдерживается высокой стоимостью катализаторов из драгоценных металлов, таких как платина и иридий, необходимый для повышения эффективности химических реакций.

«Газообразный водород является чрезвычайно важным промышленным химическим веществом для производства топлива и удобрений, среди прочего», — говорит Томас Джарамилло, директор  Центра исследований и катализа SUNCAT, который возглавляет исследовательскую группу. «Это также чистая молекула с высоким содержанием энергии, которая может использоваться в топливных элементах или для хранения энергии, генерируемой переменными источниками энергии, такими как солнечная энергия и ветер. Но большая часть водорода, производимого сегодня, производится из ископаемого топлива, увеличивая уровень CO 2  в атмосфере. Нам нужен рентабельный способ производить водород с использованием чистой энергии».

За прошедшие годы была проделана большая работа по разработке альтернатив катализаторам из драгоценных металлов для систем PEM. Многие из них были показаны для работы в лабораторных условиях, но Джарамилло сказал, что, насколько ему известно, это первая попытка продемонстрировать высокую эффективность в коммерческом электролизере. Устройство было изготовлено на заводе PEM по изучению электролиза и заводе в Коннектикуте для компании Nel Hydrogen, старейшего и крупнейшего в мире производителя электролизного оборудования.

Коммерческий электролизер, используемый в экспериментах. 
Электроды, опрыскиваемые порошком катализатора, укладываются внутри центральных металлических пластин и сжимаются болтами и шайбами. 
Вода течет через трубу справа, а газообразные водород и кислород вытекают через трубы слева.

Электролиз работает подобно батарее, но наоборот: вместо того, чтобы генерировать электричество, он использует электрический ток для расщепления воды на водород и кислород. Реакции, которые генерируют газообразный водород и кислород, происходят на разных электродах с использованием разных катализаторов из драгоценных металлов. В этом случае команда Nel Hydrogen заменила платиновый катализатор на стороне, вырабатывающей водород, катализатором, состоящим из наночастиц фосфида кобальта, нанесенного на углерод с образованием тонкого черного порошка, который был изготовлен исследователями из SLAC и Стэнфорда. Как и другие катализаторы, он объединяет другие химические вещества и стимулирует их реакцию.

Катализатор на основе фосфида кобальта работал очень хорошо в течение всего времени испытания, более 1700 часов, что указывает на то, что он может быть достаточно выносливым для повседневного использования в реакциях, которые могут протекать при повышенных температурах, давлениях и плотностях тока и в чрезвычайно кислых условиях.

Стэнфордский аспирант Маккензи Хьюберт с оборудованием, используемым для тестирования дешевой альтернативы дорогостоящему катализатору в лаборатории. 

«Наша группа некоторое время изучала этот катализатор и связанные с ним материалы, — сказал Хьюберт, — и мы взяли его с фундаментальной лабораторной экспериментальной стадии, протестировав его в промышленных условиях эксплуатации, где нужно покрыть гораздо большую поверхность с катализатором, и он должен функционировать в гораздо более сложных условиях ».

Одним из наиболее важных моментов исследования было увеличение производства катализатора на основе фосфида кобальта при сохранении его однородного состояния — процесс, который включал синтез исходного материала на лабораторном столе, измельчение с помощью ступки и пестика, выпекание в печи и, наконец, превращение мелкого черного порошка в чернила, которые можно распылять на листы пористой копировальной бумаги. Полученные широкоформатные электроды были загружены в электролизер для испытаний на получение водорода.

Производство газообразного водорода в масштабе

Хотя разработка электролизера финансировалась Министерством обороны, которое заинтересовано в кислородной стороне электролиза для использования на подводных лодках, Харамильо сообщил, что работа также согласуется с целями инициативы Министерства энергетики по шкале H2 @ Scale, которая объединяет лаборатории DOE и промышленность для продвижения доступного производства, транспортировки, хранения и использования водорода для ряда применений. Фундаментальные исследования катализатора были профинансированы управлением науки DOE.

«Производительность катализатора на основе фосфида кобальта должна стать немного лучше, и его синтез должен быть увеличен», — говорит Кэтрин Айерс, вице-президент по исследованиям и разработкам в Nel. «Но я была весьма удивлена тем, насколько стабильными были эти материалы. Хотя их эффективность в производстве водорода была ниже, чем у платины, она была постоянной».

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ