Чтобы превзойти это, исследователи из Токийского университета науки (TUS) разработали новый катализатор выделения водорода - бис (диимино) палладиевые координационные нанолисты (PdDI), который обеспечивает эффективность, подобную платиновой, при небольшой стоимости. Их новаторское исследование, которое было опубликовано 28 ноября 2024 года и доступно онлайн 27 января 2025 года в томе 31, выпуске 6 европейского журнала "Химия", также было выбрано в качестве "обложки" для журнала.

Исследованием руководили доктор Хироаки Маэда и профессор Хироси Нисихара из TUS в сотрудничестве с известными исследователями из Токийского университета, Японского института исследований синхротронного излучения, Киотского технологического института, Центра RIKEN SPring-8 и Национального института материаловедения, Япония. Это открытие знаменует собой прорыв в технологии реакции выделения водорода (HER), которая является ключевым процессом в производстве экологически чистой водородной энергии. Она возникает в процессе электролитического расщепления воды с образованием водорода. Электроды-катализаторы HER, традиционно изготавливаемые из платины, способствуют превращению образующегося водорода ([H]), образующегося на поверхности электрода при расщеплении воды, в газообразный водород (_H2). Хотя платина (Pt) в качестве катализатора HER является высокоэффективной, ее дефицит и высокая стоимость значительно увеличивают производственные затраты, ограничивая ее широкомасштабное применение.

Используя простой процесс синтеза и ограниченное количество драгоценных металлов, исследовательская группа предложила высокоэффективную альтернативу Pt-катализаторам. Команда изготовила нанолисты на основе палладия, которые могли бы максимизировать каталитическую активность при минимальном использовании металла, что значительно снизило затраты, связанные с производством _H2.

"Разработка эффективных электрокатализаторов HER является ключом к устойчивому производству _H2. Бис (диимино) металлические координационные нанолисты с их высокой проводимостью, большой площадью поверхности и эффективным переносом электронов являются многообещающими кандидатами", - говорит ведущий исследователь доктор Маэда. "Кроме того, их разреженное металлическое расположение снижает расход материала. Здесь мы успешно разработали эти нанолисты с использованием металлического палладия".

Команда разработала нанолисты PdDI (C-PdDI и E-PdDI), используя два различных метода: синтез на границе раздела газ-жидкость и электрохимическое окисление соответственно. После активации листы E-PdDI демонстрировали низкий перенапряжение в 34 мВ, а также перенапряжение платины в 35 мВ, что означало, что для производства водорода требовалось очень мало дополнительной энергии. Плотность обменного тока 2,1 мА/см2 также соответствовала каталитическим свойствам платины. Таким образом, полученные результаты ставят E-PdDI в число наиболее эффективных катализаторов HER, разработанных на сегодняшний день, что делает его многообещающей недорогой альтернативой платине.

Одним из важнейших аспектов любого катализатора является его долговременная стабильность. Эти нанолисты PdDI продемонстрировали превосходную долговечность, оставаясь неповрежденными после 12 часов работы в кислых условиях, что подтверждает их пригодность для реальных систем производства водорода. "Наше исследование приближает нас на один шаг к тому, чтобы сделать производство _H2 более доступным и устойчивым, что является важнейшим шагом для достижения экологически чистой энергетики будущего", - объясняет доктор Маэда.

Кроме того, сводя к минимуму зависимость от дефицитной и дорогостоящей платины, нанолисты PdDI соответствуют целям устойчивого развития Организации Объединенных Наций (ЦУР): ЦУР 7 - содействие доступу к доступной и чистой энергии, ЦУР 9 - промышленность, инновации и инфраструктура. Последствия этого исследования выходят за рамки лабораторных экспериментов. Масштабируемость, повышенная активность и экономическая эффективность нанолистов PdDI делают их весьма привлекательными для промышленного производства водорода, водородных топливных элементов и крупномасштабных систем хранения энергии.

Кроме того, замена катализаторов на основе платины на PdDI могла бы сократить выбросы, связанные с добычей полезных ископаемых, ускорив переход к устойчивой водородной экономике. Кроме того, плотность атомов палладия в десять раз меньше, чем атомов Pt, что снижает зависимость от драгоценного металла Pt и приближает производство электродов к экономически выгодному. Ожидается, что замена Pt нанолистами PdDI приведет к отличным результатам в автомобилестроении, производстве водорода и производстве электродов.

По мере продвижения исследований команда TUS стремится к дальнейшей оптимизации нанолистов PdDI для коммерциализации, внося свой вклад в развитие экологически чистого водородного общества.