Международная исследовательская группа, в которую входят ученые из Университета Аделаиды, разработала высокоэффективный микроскопический иридиевый катализатор, который может стать важным шагом на пути к более доступному и эффективному производству экологически чистого водорода.

Исследователи из Университета Аделаиды совместно с учеными из Университета Тохоку в Японии, Токийского университета науки и Университета Вандербильта в США успешно разработали микроскопические иридиевые катализаторы, которые могут привести к улучшению производства экологически чистого водорода.

Исследователи заявили, что крошечные катализаторы содержат всего 15 атомов иридия и превосходят коммерчески доступные иридиевые катализаторы в 1,5 раза по массовой активности, демонстрируя при этом превосходную долговечность.

Экологически чистый водород производится путем расщепления воды на водород и кислород с использованием возобновляемой электроэнергии. Одной из самых больших проблем, связанных с этим процессом, является реакция выделения кислорода (OER). Эта химическая реакция протекает в сильнокислой и коррозионной среде, и иридий оказался одним из немногих катализаторов, способных выдерживать такие условия. Однако из-за высокой стоимости и ограниченной доступности предпринимались попытки уменьшить количество используемого редкого металла, одновременно максимизируя его реакционную активность.

Один из подходов к минимизации количества используемого иридия заключается в создании атомарно точных металлических нанокластеров — крошечных агрегатов атомов металла. Уменьшение размера металлических частиц до кластеров размером 1 нанометр (нм) увеличивает их удельную площадь поверхности и количество активных центров. Недостатком увеличения площади поверхности является то, что иридий окисляется при контакте с воздухом и, следовательно, становится нестабильным.

Для преодоления этой нестабильности исследовательская группа разработала метод полиольного восстановления с использованием этиленгликоля и процесс лигандного обмена для защиты атомов иридия.

Инкапсулировав ядро ​​из атомов иридия молекулами монооксида углерода и трифенилфосфина, исследователи смогли получить 15-атомные нанокластеры иридия, которые остаются высокостабильными и устойчивыми к окислению даже при синтезе полностью на открытом воздухе.

Затем исследователи прикрепили нанокластеры к подложке из сажи, создав твердый катализатор со средним размером частиц 0,9 нм.

Испытания показали, что новый материал обладает примерно в 1,5 раза большей массовой активностью, чем обычные коммерческие иридиевые катализаторы. Катализатор также продемонстрировал превосходную долговечность, работая непрерывно более 20 часов без существенной потери производительности.

Дальнейший анализ показал, что ультраминиатюризация частиц иридия изменила их электронные свойства таким образом, что химические реакции протекали более эффективно.

Представитель Университета Тохоку Юичи Негиши заявил, что этот прорыв может привести к улучшению производства экологически чистого водорода.

«Мы ожидаем, что эти результаты станут новой вехой в исследованиях металлических нанокластеров и «зеленого» водорода, поскольку они могут помочь нам создать экономически эффективные и высокопроизводительные металлические нанокластеры для решения насущных глобальных энергетических и экологических проблем», — сказал он.