Розробив «каталізатор структури ядро-оболонка», використовуючи економічно ефективний рутеній, щоб підвищити його потенціал для комерціалізації. Вибрано як титульну статтю в престижному журналі каталізу Energy & Environmental Science.
Інженерний коледж Сеульського національного університету оголосив про значний прогрес у виробництві екологічно чистого водню. Дослідницька група на чолі з професором Джин Йонг Кімом з Департаменту матеріалознавства та інженерії у співпраці з професором Чан Ву Лі з Університету Кукмін і доктором Сунг Чон Ю з Корейського науково-технічного інституту (KIST) розробила передовий електрохімічний каталізатор. Очікується, що цей прорив стане стимулом для наступного покоління технологій сталого виробництва водню.
Каталізатор містить нанокластер на основі рутенію (Ru) зі структурою ядро-оболонка. Незважаючи на те, що містить лише невелику кількість дорогоцінного металу, він досягає виняткової продуктивності та виняткової стабільності. Під час випробувань у промислових системах електролізу води він продемонстрував вражаючу ефективність, продемонструвавши великий потенціал для комерційного використання.
Дослідження було опубліковано в Energy&Environmental Science, провідному журналі в галузі каталізу. Дослідження було обрано як титульний документ, підкреслюючи як його інноваційний підхід, так і його академічний вплив.
Водень: чиста альтернатива енергії
Водень широко вважається чистим джерелом енергії, оскільки він не виділяє вуглекислого газу при спалюванні, що робить його перспективною альтернативою викопному паливу. Одним із найефективніших способів отримання екологічно чистого водню є електроліз води, який розщеплює воду на водень і кисень за допомогою електрики. Серед різних методів електролізу, електроліз води з аніонообмінною мембраною (AEMWE) привертає увагу як технологія наступного покоління завдяки своїй здатності виробляти водень високої чистоти. Однак, щоб AEMWE був комерційно життєздатним, йому потрібні каталізатори, які забезпечують як високу ефективність, так і довгострокову стабільність.
Зараз платина (Pt) є найбільш широко використовуваним каталізатором для виробництва водню, але її висока вартість і швидке розкладання створюють значні проблеми. Хоча дослідники досліджували альтернативи недорогоцінних металів, ці матеріали зазвичай мають низьку ефективність і низьку стабільність, що робить їх непридатними для промислового використання.
Щоб подолати ці обмеження, дослідницька група розробила новий нанокластерний каталізатор ядро-оболонка на основі рутенію (Ru), який більш ніж удвічі економічніший за платину. Зменшивши розмір каталізатора до рівня нижче 2 нанометрів (нм) і мінімізувавши кількість дорогоцінного металу лише до однієї третини від того, що використовується у звичайних електродах на основі платини, команда досягла чудової продуктивності, що перевершує продуктивність існуючих платинових каталізаторів.
Рекордна продуктивність і стабільність
Нещодавно розроблений каталізатор продемонстрував у 4,4 раза вищу продуктивність, ніж платинові каталізатори з таким самим вмістом дорогоцінних металів, встановивши новий стандарт ефективності реакції виділення водню. Крім того, він зафіксував найвищу продуктивність серед усіх каталізаторів виділення водню. Його унікальна структура спіненого електрода оптимізує подачу реакційних матеріалів, забезпечуючи виняткову стабільність навіть при високій щільності струму.
Під час промислових випробувань AEMWE новий каталізатор вимагав значно менше енергії порівняно з комерційними платиновими каталізаторами. Цей результат зміцнює його потенціал як кардинального рішення для технології електролізу води нового покоління. Процес розробки включав кілька ключових інновацій. Спочатку дослідницька група обробила титанову спінену підкладку перекисом водню, щоб утворити тонкий шар оксиду титану. Після цього проводилося легування перехідним металом молібденом (Mo). Потім на модифіковану підкладку рівномірно наносили наночастинки оксиду рутенію розміром лише 1–2 нм.
Розширена функціональність на атомарному рівні
Точна низькотемпературна термічна обробка викликала дифузію на атомному рівні, утворюючи структуру ядро-оболонка. Під час реакції виділення водню процес електрохімічного відновлення ще більше покращив властивості матеріалу, в результаті чого металеве ядро рутенію було інкапсульоване пористим моношаром відновленого титану з металевими атомами молібдену, розташованими на межі розділу.
Заглядаючи вперед, очікується, що нанокластерний каталізатор «ядро-оболонка» значно підвищить ефективність виробництва водню, одночасно різко зменшуючи кількість необхідного дорогоцінного металу, що в кінцевому підсумку знизить витрати на виробництво. Його поєднання високої продуктивності та економічної доцільності робить його сильним кандидатом для використання у водневих паливних елементах для транспортних засобів, екологічно чистих транспортних систем, водневих електростанцій та різноманітних промислових застосувань.
Крім практичного застосування, цей прорив є великим технологічним прогресом, який може прискорити перехід від енергетичних систем на основі викопного палива до водневої економіки.
Професор Джин Янг Кім підкреслив вплив дослідження, заявивши: «Каталізатор ядро-оболонка, незважаючи на те, що він менший за 2 нанометри, демонструє чудову продуктивність і стабільність. Цей прорив значно сприятиме розвитку технології виготовлення нано-ядро-оболонки пристроїв і виробництва водню, наближаючи нас до вуглецево-нейтрального майбутнього». Тим часом доктор Хюн Ву Лім, перший автор дослідження, був обраний для участі в урядовій програмі стипендій Sejong Fellowship Program і продовжує свої дослідження як постдокторант у лабораторії професора Кіма в Сеульському національному університеті. Зараз він зосереджений на подальшій розробці та комерціалізації технології каталізатора «ядро-оболонка».