Специально разработанные наноструктуры иридия, нанесенные на мезопористый оксид тантала, повышают проводимость, каталитическую активность и долговременную стабильность.
Изображение: Исследователи из Южной Кореи и США разработали новый иридиевый катализатор с повышенной активностью реакции выделения кислорода, позволяющий осуществлять экономически эффективный электролиз воды с использованием протонно-обменной мембраны для получения водорода. Подробнее
Потребности мира в энергии продолжают расти. Транспортабельная водородная энергия открывает большие перспективы в поисках чистых и устойчивых энергетических решений. В этом отношении большой интерес вызывают электролизеры воды с протонно-обменной мембраной (PEMWE), которые преобразуют избыточную электрическую энергию в транспортабельную водородную энергию посредством электролиза воды. Однако их крупномасштабное применение в производстве водорода остается ограниченным из-за низкой скорости реакции выделения кислорода (OER), важного компонента электролиза, и высокой загрузки дорогостоящих катализаторов на основе оксидов металлов, таких как оксид иридия (Ir) и оксид рутения, в электроды. Поэтому для широкого применения PEMWE необходима разработка экономически эффективных и высокопроизводительных катализаторов OER.

Недавно корейско-американская исследовательская группа под руководством профессора Чанхо Пака из Южно-Корейского института науки и технологий в Кванджу разработала новый наноструктурированный катализатор на основе иридия и мезопористого оксида тантала (Ta2O5) с использованием усовершенствованного метода восстановления муравьиной кислотой для достижения эффективного электролиза воды в протонообменной мембране. Результаты их исследования были опубликованы онлайн 20 мая 2023 года и будут опубликованы в 575-м томе журнала Journal of Power Sources 15 августа 2023 года. Соавтором исследования является доктор Чэкён Байк, научный сотрудник Корейского института науки и технологий (KIST).
«Наноструктура Ir, обогащенная электронами, равномерно распределена на стабильной мезопористой подложке Ta2O5, полученной методом мягкого шаблонирования в сочетании с процессом окружения этилендиамином, что эффективно снижает содержание Ir в одной батарее PEMWE до 0,3 мг·см⁻²», — пояснил профессор Пак. Важно отметить, что инновационная конструкция катализатора Ir/Ta2O5 не только улучшает использование Ir, но и обладает более высокой проводимостью и большей электрохимически активной площадью поверхности.
Кроме того, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и рентгеновская абсорбционная спектроскопия выявляют сильные взаимодействия между металлом и подложкой, в частности между Ir и Ta, а расчеты с использованием теории функционала плотности указывают на перенос заряда от Ta к Ir, что приводит к сильному связыванию адсорбатов, таких как O и OH, и поддерживает соотношение Ir(III) в процессе окисления OOP. Это, в свою очередь, приводит к повышению активности Ir/Ta2O5, который имеет более низкое перенапряжение 0,385 В по сравнению с 0,48 В для IrO2.
Команда также экспериментально продемонстрировала высокую активность катализатора в реакции выделения кислорода (OER), наблюдая перенапряжение 288 ± 3,9 мВ при 10 мА·см⁻² и значительно высокую массовую активность иридия 876,1 ± 125,1 А·г⁻¹ при 1,55 В по сравнению с соответствующим значением, полученным г-ном Блэком. Фактически, Ir/Ta₂O₅ демонстрирует превосходную активность и стабильность в реакции OER, что было дополнительно подтверждено более чем 120 часами работы одноячеечной системы мембранно-электродного блока.
Предложенный метод обладает двойным преимуществом: он позволяет снизить уровень нагрузки Ir и повысить эффективность реакции выделения кислорода (OER). «Повышение эффективности OER дополняет экономическую эффективность процесса PEMWE, тем самым улучшая его общие характеристики. Это достижение может произвести революцию в коммерциализации PEMWE и ускорить его внедрение в качестве основного метода производства водорода», — оптимистично считает профессор Пак.

В целом, это событие приближает нас к созданию устойчивых решений в области водородной энергетики и, следовательно, к достижению углеродной нейтральности.
О Кванджуском институте науки и технологий (GIST) Кванджуский институт науки и технологий (GIST) — это исследовательский университет, расположенный в городе Кванджу, Южная Корея. GIST был основан в 1993 году и стал одним из самых престижных учебных заведений в Южной Корее. Университет стремится создать сильную исследовательскую среду, способствующую развитию науки и технологий, а также развитию сотрудничества между международными и отечественными исследовательскими проектами. Следуя девизу «Гордый создатель науки и технологий будущего», GIST неизменно входит в число лучших университетов Южной Кореи.
Об авторах: Доктор Чанхо Пак является профессором Кванджуского института науки и технологий (GIST) с августа 2016 года. До прихода в GIST он занимал должность вице-президента Samsung SDI и получил степень магистра в Samsung Electronics SAIT. Степень бакалавра, магистра и доктора он получил на химическом факультете Корейского института науки и технологий в 1990, 1992 и 1995 годах соответственно. Его текущие исследования сосредоточены на разработке каталитических материалов для мембранно-электродных сборок в топливных элементах и ​​электролизе с использованием наноструктурированного углерода и смешанных оксидов металлов в качестве носителей. Он опубликовал 126 научных статей и получил 227 патентов в своей области знаний.
Доктор Чэкён Байк — научный сотрудник Корейского института науки и технологий (KIST). Он занимается разработкой катализаторов PEMWE для реакции окисления воды и MEA, в настоящее время уделяя особое внимание катализаторам и устройствам для реакций окисления аммиака. До прихода в KIST в 2023 году Чэкён Байк получил степень доктора философии в области энергетической интеграции в Кванджуском институте науки и технологий.
Мезопористая иридная наноструктура, поддерживаемая богатым электронами Ta2O5, может повысить активность и стабильность реакции выделения кислорода.
Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных связей, которые могли бы повлиять на результаты работы, представленной в данной статье.
Предупреждение: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность пресс-релизов, опубликованных на EurekAlert!, а также за любое использование информации участвующей организацией или через систему EurekAlert.

Если вам нужна более подробная информация, пожалуйста, отправьте мне электронное письмо.
Электронная почта:
info@pulisichem.cn
Тел.:
+86-533-3149598