Виробництво «зеленого» водню — палива, що отримується шляхом електролізу води за допомогою енергії сонця та вітру — довгий час впирається в одну економічну перешкоду: каталізатори. Реакції розщеплення води вимагають дорогих благородних і рідкісних металів — платини, рутенію, іридію, — і саме їхня вартість робить чистий водень неконкурентоспроможним на тлі викопного палива. У свіжій роботі, опублікованій у журналі ACS Applied Nano Materials, дослідники показали, що цю проблему можна обійти, перенісши активні центри на залізо та нікель, закріплені на вуглецевих нановолокнах, вирощених на двовимірному провідному матеріалі MXene.

Проблема, через яку водень залишається дорогим

В електролізері одночасно протікають дві реакції: виділення водню на одному електроді та кисню — на іншому. Обидві критичні для процесу, і обидві традиційно прискорюються каталізаторами на основі оксиду рутенію (RuO2) та споріднених сполук. Рутеній, іридій та платина — рідкісні метали з волатильною ціною, і їхня частка в собівартості установки може бути співставною з ціною самої електроніки. Якщо замінити їх на залізо та нікель, доступні в промислових масштабах, економіка «зеленого» водню змінюється принципово — за умови, що нові матеріали збережуть прийнятну електрохімічну активність.

Архітектура нового матеріалу: MXene, нановолокна та оксиди металів

Основа запропонованих каталізаторів — двовимірний матеріал MXene складу Ti3C2Tx, відомий своєю високою електропровідністю. На його поверхні методом хімічного осадження з газової фази (CVD) вчені виростили вуглецеві нановолокна, на кінцях яких сформувалися частинки оксидів нікелю або заліза. Мікроскопія та спектроскопія підтвердили, що волокна справді утворилися, а шарувата структура MXene збереглася. Нікелевий композит виявився структурно більш впорядкованим: його вуглецева фаза нагадувала графіт і містила менше дефектів, ніж залізний аналог, що, за даними авторів, пояснює частину відмінностей в електрохімічній поведінці.

Цифри випробувань: наскільки близько до рутенію

В лужному електролізі води еталонним орієнтиром слугує оксид рутенію, якому для реакції виділення кисню достатньо перевищення напруги близько 250 мВ. Нікелевий композит на MXene у тій самій реакції зажадав лише на 50 мВ більше, а залізний — на 360 мВ. У реакції виділення водню розриви були більшими: нікелю знадобилося +490 мВ понад еталон для досягнення густини струму 10 мА/см², залізу — +520 мВ. Таким чином, саме за кисневою реакцією нікелевий матеріал підійшов до рутенію найближче, а різниця у вартості вихідних металів між нікелем та рутенієм незрівнянно більша, ніж ці десятки мілівольт. Автори наголошують, що закріплення нановолокон на MXene само по собі покращило показники обох композитів порівняно з аналогічними матеріалами без такої підкладки.

Зібрані електролізери та добова стабільність

Дослідники пішли далі лабораторних електродів і зібрали прототипи електролізерів, використовуючи один і той самий тип каталізатора на обох електродах. За густини струму 10 мА/см² залізна комірка показала напругу 2,2 В, нікелева — 2,7 В. Тут картина інвертується: на рівні окремих композитів нікель виглядав сильнішим, але в повністю зібраній конструкції залізо дало кращий результат. Автори припускають, що залізо стабілізує середовище під час реакцій. Добові випробування виявили незначне зниження активності та дрейф характеристик у обох матеріалів, причому нікелевий каталізатор деградував менше. Автори прямо вказують, що робота не закінчена, але результати обнадійливі.

Чому це важливо для енергетики

«Зелений» водень — один із небагатьох способів отримати паливо без викидів вуглекислого газу, якщо енергія електролізу надходить від сонця і вітру. Поки каталізатори коштують дорого, чистий водень програє за ціною навіть з урахуванням вуглецевого податку, і масштабування галузі гальмується. Перехід на залізо та нікель із підкладкою з MXene скорочує цей розрив у собівартості та відкриває шлях до дешевших електролізерів. Залишилися питання довгострокової стабільності та масштабування процесу CVD на промислові площі, але сам принцип — замінити рідкісний метал доступним, зберігши активність завдяки наноструктурі, — вже підтверджено експериментально.