Температура меняет механизм реакции в катализаторах для расщепления воды

Исследователи из Университета Тохоку обнаружили, что температура кардинально меняет механизм работы катализаторов для реакции выделения кислорода (OER) — ключевого процесса в электролизе воды для получения водорода.

LSV-кривые (a), наклон Тафеля (b) и графики Найквиста EIS (c) для RhRu₃Oₓ, Hom-RuO₂ и Com-RuO₂. (d) Графики C₂dl, рассчитанные из CV-кривых. (e) Графики Тафеля для RhRu₃Oₓ при разных температурах. (f) График Аррениуса для плотности обменного тока OER. Автор: Хэн Лю и др.

Учёные использовали специальную масс-спектрометрическую систему для изучения поведения катализатора RhRu₃Oₓ. Оказалось, что при высоких и низких температурах активируются разные механизмы реакции.

«Мы обнаружили, что этот катализатор склоняется к разным механизмам реакции при высоких и низких температурах, и теперь мы можем использовать это в своих интересах», — объясняет Хэн Лю.

Фотография (a) и схема (b) установки operando TC-DEMS. Треугольный потенциал при комнатной температуре (c) и 60°C (d) с соответствующим MS-сигналом. Интегрированная площадь пиков (e, f) и соотношение площадей пиков (g). Автор: Хэн Лю и др.

Практические испытания показали выдающуюся стабильность катализатора — он сохранял работоспособность более 1000 часов при комнатной температуре с плотностью тока 200 мА/см².

Рассчитанные диаграммы Пурбе для поверхности RuO₂ (110) (a, b). Иллюстрации механизмов OER AEM и LOM (c) и соответствующие диаграммы свободной энергии (d). Автор: Хэн Лю и др.

Это открытие прокладывает путь к созданию более эффективных и стабильных катализаторов для расщепления воды, что может снизить зависимость от ископаемого топлива и обеспечить экологически чистое производство энергии. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Реакция выделения кислорода критически важна для многих электрохимических устройств, включая аккумуляторы и системы производства водорода. Современные коммерческие электролизёры обычно работают при температурах 50-80°C, где стабильность катализаторов остается серьёзной проблемой.