Ученые Городского университета Гонконга разработали новый сверхстабильный электрокатализатор реакции выделения водорода (англ. hydrogen evolution reaction, HER), который состоит из двухмерных нанолистов, изготовленных из минерального гидрогеля. Катализатор не содержит драгоценных минералов и может быть произведен в промышленных масштабах, что снизит цену на водородное топливо в будущем. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Узнайте больше в полной версии ➞В настоящее время для проведения HER применяются дорогостоящие катализаторы, содержащие благородные металлы. Более привлекательной альтернативой являются так называемые одноатомные катализаторы (SAC), активный центр которых состоит из изолированного атома металла и расположен на твердом носителе из углерода, оксидов или сульфидов. SAC отличаются высокой активностью, атомной эффективностью и низким расходом катализатора, однако довольно сложны в изготовлении. Процесс включает в себя внедрение одиночных атомов металла в подложку с последующей термической обработкой выше 700 градусов Цельсия.
В новой работе ученые представили SAC, в котором для изготовления подложки используются не пористые металлоорганические каркасы или углеродные каркасы, а нанолисты минерального гидрогеля, не содержащего ни драгоценные металлы, ни углерод. Сначала раствор полиоксометалловой кислоты (PMo), содержащей молибден, смешивался с ионами трехвалентного железа при комнатной температуре, после чего с помощью центрифугирования удалялись излишки воды. В результате образовывалась гелевая сеть — сшитые полимерные цепочки железо-фосфомолибденовой кислоты (FePMoG).
Чтобы получить готовую положку, FePMoG подвергали фосфатизации: термической обработке при 500 градусов Цельсия с добавлением гипофосфита натрия. В результате образуется одноатомный дисперсный гетерогенный листовой катализатор Fe/SAs@Mo-based-HNS. Эксперименты показали, что он проявляет превосходную электрокаталитическую активность со значением перенапряжения всего 38,5 милливатта при плотности тока 10 миллиампер на квадратный сантиметр. Он также демонстрирует сверхстабильность без ухудшения характеристики в течение 600 часов непрерывной работы при плотности тока до 200 миллиампер на квадратный сантиметр.
По словам ученых, это один из лучших результатов, достигнутых электрокатализаторами HER, не содержащими драгоценных металлов. Fe/SAs@Mo-based-HNS представляет собой эффективную альтернативу подверженным коррозии катализаторам, содержащим углерод, для использования в топливных элементах с протонообменной мембраной и других современных энергетических технологиях.