Специалисты Академии наук Китая создали электрод, объединяющий пять металлов в высокоэнтропийной антиперовскитной структуре. Новый материал, нанесённый на пористую никелевую пену, позволил электролизёру с анионообменной мембраной (АОМ) длительное время работать при промышленных плотностях тока без существенной потери эффективности. Исследование провели Говэнь Мэн и Бинь Чэнь из Института физики твёрдого тела Хэфэйского института физических наук, а его результаты опубликованы в журнале ACS Nano.
Электролиз применяется для расщепления воды на водород и кислород под действием электричества. Если питание поступает от возобновляемых источников, например солнечных или ветровых станций, такой способ получения водорода не сопровождается прямыми выбросами углекислого газа, в отличие от традиционных технологий на ископаемом топливе. Технология АОМ-электролиза сочетает невысокую стоимость материалов, характерную для щелочных установок, с отдельными преимуществами систем на протонообменных мембранах.
Главным препятствием остаётся реакция выделения кислорода, которая включает перенос четырёх электронов и протекает значительно медленнее образования водорода. Для ускорения этого процесса нужны высокоактивные катализаторы, однако жёсткие условия эксплуатации способны вызывать их растворение, перестройку структуры или потерю активности. Практически пригодные электроды должны обеспечивать высокую производительность при больших плотностях тока и сохранять стабильность на протяжении длительного времени.
Учёные синтезировали материал состава InN(NiCoFeCrV)₃, объединив никель, кобальт, железо, хром и ванадий в единой кристаллической решётке. Сочетание нескольких металлов порождает электронные и химические взаимодействия, недоступные для более простых соединений, что позволяет настраивать каталитическую активность и устойчивость. Катализатор выращивался непосредственно на никелевой пене, которая служит токопроводящим пористым каркасом с большой площадью поверхности, обеспечивающим эффективный контакт электролита с активным материалом.
В щелочном электролите новый электрод достигал плотности тока 100 миллиампер на квадратный сантиметр при перенапряжении всего 279 милливольт и работал более 500 часов без потери активности. В составе АОМ-электролизёра устройство выдавало 500 миллиампер на квадратный сантиметр при напряжении ячейки 1,662 вольта, сохраняя стабильность свыше 400 часов. Анализ показал, что в процессе работы часть металлических компонентов постепенно растворялась, формируя на поверхности новый активный слой, который улучшал перенос заряда и ускорял выделение кислорода благодаря взаимодействию с нижележащим антиперовскитным материалом.
Авторы работы, о которой рассказывает SciTechDaily, полагают, что контролируемую перестройку поверхности можно рассматривать не как повреждение катализатора, а как полезный механизм. Если исходный материал спроектировать так, чтобы он превращался в высокоактивный поверхностный слой, сохраняя стабильную основу, срок службы электродов удастся увеличить без использования дефицитных драгоценных металлов. Такой подход открывает путь к созданию недорогих и долговечных электродов для АОМ-электролиза, способных повысить эффективность производства зелёного водорода в промышленных масштабах.