Учёные Университета Тохоку в Японии разработали катализатор, который значительно повышает эффективность и стабильность реакции выделения кислорода (OER) в кислой среде. Это открытие может стать важным шагом в развитии технологий производства «зелёного» водорода.

Исследовательская группа под руководством доцента Хао Ли из Института передовых исследований материалов (WPI-AIMR) Университета Тохоку создала тройной оксидный катализатор Ru3Zn0.85W0.15Ox (RZW). Этот катализатор решает давнюю проблему достижения высокой каталитической активности и долговечности в кислых условиях.

Реакция выделения кислорода играет ключевую роль в расщеплении воды для получения водорода, который рассматривается как перспективный источник экологически чистой энергии. Однако традиционные катализаторы часто не могут поддерживать высокую производительность и стабильность в кислой среде.

Новый катализатор RZW использует уникальные электроноакцепторные свойства вольфрама (W) и «жертвенное» поведение цинка (Zn) для улучшения характеристик OER. Исследование показало, что во время начального процесса OER цинк растворяется из катализатора, высвобождая электроны, которые захватываются частицами вольфрама. Это приводит к накоплению электронов на участках рутения (Ru), повышая каталитическую активность.

Несмотря на растворение цинка, катализатор сохраняет свою структурную целостность и каталитическую эффективность благодаря стабилизирующей роли вольфрама, который преимущественно занимает мостиковые участки и сохраняет активные конфигурации рутения.

Для изучения структурных и электронных свойств катализатора в условиях OER исследовательская группа использовала комбинацию экспериментальных методов, включая рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS), просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения (HRTEM) и преобразование Фурье расширенной тонкой структуры рентгеновского поглощения (FT-EXAFS). Кроме того, были проведены теоретические расчёты с использованием теории функционала плотности (DFT).

Результаты показали, что быстрое растворение цинка значительно способствует улучшению переноса электронов, повышая как активность OER, так и долгосрочную стабильность катализатора.

«Это открытие демонстрирует, как стратегическое легирование вольфрамом и использование жертвенных металлов, таких как цинк, может значительно улучшить характеристики катализаторов OER», — отметил Хао Ли. «Наши результаты предполагают, что этот подход открывает многообещающий путь для разработки высокоэффективных и экономичных катализаторов для производства "зелёного" водорода, что крайне важно для перехода к возобновляемым источникам энергии».

Следующим шагом в этом исследовании станет тестирование катализатора RZW в полных электролизных системах для оценки его производительности в реальных условиях для преодоления разрыва между фундаментальными исследованиями и практическим применением технологий производства водорода.