Инженерная упругая деформация повышает эффективность производства зелёного водорода с доступными катализаторами

Исследователи из Института материалов IMDEA продемонстрировали улучшенные и более доступные каталитические материалы для производства зелёного водорода.

Модулирование электро-каталитической активности интерметаллических соединений для реакции выделения водорода с помощью инженерной упругой деформации. Автор: Хорхе Редондо, Институт материалов IMDEA.

В исследовании, опубликованном в ACS Catalysis, тонкие плёнки интерметаллических сплавов на основе трёх недорогих материалов: серебра и индия (Ag₃In), никеля и железа (Ni₃Fe) и никеля и олова (Ni₃Sn), показали значительный рост каталитической эффективности для реакции выделения водорода (HER) при воздействии контролируемой упругой деформации.

Результаты указывают на инженерную упругую деформацию как многообещающий путь для разработки доступных катализаторов, способных заменить металлы платиновой группы в промышленном производстве водорода.

Раскрывая потенциал зелёного водорода: В поисках замены дорогой платине

Водород, полученный с помощью электролиза на возобновляемой энергии, считается ключевым элементом глобального перехода к безуглеродной энергетике. Однако его эффективность сильно зависит от катализаторов, ускоряющих расщепление молекул воды. Платина остаётся эталонным материалом для реакции HER благодаря своей активности и долговечности, но её высокая стоимость и ограниченные запасы создают серьёзные препятствия для масштабного внедрения.

«Следовательно, существует острая необходимость в обнаружении доступных альтернатив, способных конкурировать с металлами платиновой группы по каталитической производительности», — подчёркивается в исследовании.

Повышение каталитической производительности с помощью деформации материалов

Вместо разработки совершенно новых материалов, команда IMDEA Materials сосредоточилась на улучшении свойств трёх существующих интерметаллических сплавов (Ag₃In, Ni₃Fe и Ni₃Sn) с помощью инженерной упругой деформации. Эти материалы были выбраны из-за их доступности, отсутствия токсичных элементов и химической стабильности в щелочных средах.

Исследователи изучали, может ли введение упругой деформации — растягивающей (тензильной) или сжимающей (компрессионной) — изменить то, как каталитические поверхности связываются с атомами водорода, что является ключевым шагом в процессе HER.

Результаты показали, что упругие деформации порядка 1% приводят к значительным изменениям поверхностной активности, которые можно использовать для настройки каталитической производительности. Согласно публикации, «

тензильные деформации улучшили каталитическую активность (и снизили наклон Тафеля и сопротивление переносу заряда) на Ag₃In, в то время как компрессионные деформации оказывают аналогичное влияние на Ni₃Fe, Ni₃Sn и Pt

В одном примечательном случае образец сплава Ni₃Sn, растянутый на 1,26%, достиг 71% эффективности платины.

План для создания оптимизированных деформацией водородных катализаторов

Исследование, проведённое Хорхе Редондо, доктором Джаячандран Субианом, доктором Мигелем Монклюсом, доктором Валентином Васильевым Галиндо, профессором Хоном Молиной и профессором Хавьером Льоркой, предоставляет одно из первых экспериментально изолированных и количественно оценённых доказательств того, как упругая деформация без дефектов или трещин может настраивать каталитические свойства материала.

«Эта работа основана на нашем предыдущем исследовании в IMDEA Materials и Мадридском политехническом университете, подтвердившем, что упругие деформации, создаваемые сплавами с памятью формы, могут улучшить каталитическую эффективность тонких плёнок золота, — говорит Редондо, один из авторов обеих работ. — На этот раз группа продвинулась дальше, чтобы разработать серьёзные интерметаллические кандидаты для замены платиновых катализаторов».

Эта работа предлагает платформу, которая может ускорить открытие новых катализаторов для производства водорода. Это особенно актуально, поскольку исследователи продолжают изучать неблагородные металлы и интерметаллические соединения, предложенные скрининговыми исследованиями с использованием машинного обучения.

Источник: IMDEA Materials

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как фундаментальные материалыедческие подходы могут решать глобальные энергетические проблемы. Вместо поиска «волшебного» нового материала учёные используют тонкое управление структурой существующих сплавов, что может значительно удешевить и ускорить внедрение водородных технологий. К 2026 году такие работы становятся всё более востребованными в свете активного развития водородной энергетики.