Производство «зелёного» водорода — топлива, получаемого электролизом воды с энергией солнца и ветра — долгое время упирается в одну экономическую стену: катализаторы. Реакции расщепления воды требуют дорогих благородных и редких металлов — платины, рутения, иридия, — и именно их стоимость делает чистый водород неконкурентоспособным на фоне ископаемого топлива. В свежей работе, опубликованной в журнале ACS Applied Nano Materials, исследователи показали, что эту проблему можно обойти, перенеся активные центры на железо и никель, закреплённые на углеродных нановолокнах, выращенных на двумерном проводящем материале MXene.

Проблема, из-за которой водород остаётся дорогим

В электролизёре одновременно идут две реакции: выделение водорода на одном электроде и кислорода — на другом. Обе критичны для процесса, и обе традиционно ускоряются катализаторами на основе оксида рутения (RuO2) и родственных соединений. Рутений, иридий и платина — редкие металлы с волатильной ценой, и их доля в себестоимости установки может быть сопоставима с ценой самой электроники. Если заменить их на железо и никель, доступные в промышленных масштабах, экономика «зелёного» водорода меняется принципиально — при условии, что новые материалы сохранят приемлемую электрохимическую активность.

Архитектура нового материала: MXene, нановолокна и оксиды металлов

Основа предложенных катализаторов — двумерный материал MXene состава Ti3C2Tx, известный высокой электропроводностью. На его поверхности методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) учёные вырастили углеродные нановолокна, на концах которых сформировались частицы оксидов никеля или железа. Микроскопия и спектроскопия подтвердили, что волокна действительно образовались, а слоистая структура MXene сохранилась. Никелевый композит оказался структурно более упорядоченным: его углеродная фаза напоминала графит и содержала меньше дефектов, чем железный аналог, что, по данным авторов, объясняет часть различий в электрохимическом поведении.

Цифры испытаний: насколько близко к рутению

В щелочном электролизе воды эталонным ориентиром служит оксид рутения, которому для реакции выделения кислорода достаточно превышения напряжения около 250 мВ. Никелевый композит на MXene в той же реакции потребовал лишь на 50 мВ больше, а железный — на 360 мВ. В реакции выделения водорода разрывы были крупнее: никельу потребовалось +490 мВ сверх эталона для достижения плотности тока 10 мА/см², железу — +520 мВ. Таким образом, именно по кислородной реакции никелевый материал подошёл к рутению ближе всего, а разница в стоимости исходных металлов между никелем и рутением несоизмеримо больше, чем эти десятки милливольт. Авторы подчёркивают, что закрепление нановолокон на MXene само по себе улучшило показатели обоих композитов по сравнению с аналогичными материалами без такой подложки.

Собранные электролизёры и суточная стабильность

Исследователи пошли дальше лабораторных электродов и собрали прототипы электролизёров, используя один и тот же тип катализатора на обоих электродах. При плотности тока 10 мА/см² железная ячейка показала напряжение 2,2 В, никелевая — 2,7 В. Здесь картина инвертируется: на уровне отдельных композитов никель выглядел сильнее, но в полностью собранной конструкции железо дало лучший результат. Авторы предполагают, что железо стабилизирует среду в ходе реакций. Суточные испытания выявили незначительное снижение активности и дрейф характеристик у обоих материалов, причём никелевый катализатор деградировал меньше. Авторы прямо указывают, что работа не окончена, но результаты обнадёживают.

Почему это важно для энергетики

«Зелёный» водород — один из немногих способов получить топливо без выбросов углекислого газа, если энергия электролиза поступает от солнца и ветра. Пока катализаторы стоят дорого, чистый водород проигрывает по цене даже с учётом углеродного налога, и масштабирование отрасли тормозится. Переход на железо и никель с подложкой из MXene сокращает эту разрыв в себестоимости и открывает путь к более дешёвым электролизёрам. Остались вопросы долговременной стабильности и масштабирования процесса CVD на промышленные площади, но сам принцип — заменить редкий металл доступным, сохранив активность за счёт наноструктуры, — уже подтверждён экспериментально.