Совместная исследовательская группа под руководством профессора Джунгки Рю из Школы энергетики и химической инженерии UNIST и профессора Донг-Хва Со с кафедры материаловедения и инженерии KAIST успешно разработала бифункциональный катализатор электролиза воды для высокоэффективного и стабильного производства экологически чистого водорода.

Недавно разработанный катализатор демонстрирует исключительную долговечность даже в сильно коррозийной кислотной среде. Благодаря использованию рутения, кремния и вольфрама (RuSiW) катализатор является более экономичным по сравнению с традиционными платиновыми (Pt) или иридиевыми (Ir) катализаторами. Кроме того, он выделяет значительно меньше парниковых газов, что делает его экологически чистой альтернативой.

Электролиз воды — это передовая технология, которая позволяет получать водород в процессе электролиза воды. Она считается ключевой технологией для достижения углеродно-нейтрального общества, поскольку позволяет производить экологически чистый водород без выбросов углекислого газа.

Исследовательская группа сосредоточилась на поиске альтернатив катализаторам из драгоценных металлов, таких как платина и иридий, которые отличаются стабильностью в кислотных условиях. Рутений привлек к себе внимание как экологически чистый металл благодаря относительно низкой стоимости производства и значительно меньшим выбросам парниковых газов по сравнению с платиной и иридием. Однако он столкнулся с проблемами при коммерциализации из-за более низкой каталитической активности по сравнению с платиной и меньшей стабильности по сравнению с иридием.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа разработала катализатор на основе рутения, кремния и вольфрама. Усилив функции рутениевого катализатора, который обладает меньшей стабильностью как в реакции выделения водорода (HER), так и в реакции выделения кислорода (OER), команда продемонстрировала потенциал катализатора в качестве бифункционального катализатора.

Разработанный катализатор имеет структуру, легированную вольфрамом и кремнием вокруг атома рутения. Способность катализатора ускорять реакции была повышена за счет увеличения интенсивности адсорбции протонов на поверхности катализатора. Он демонстрирует более высокую активность в реакции выделения водорода по сравнению с коммерчески доступными платиновыми катализаторами. Кроме того, тонкая вольфрамовая пленка толщиной 5~10 нм защищает каталитический участок рутения, повышая его стабильность.

Исследовательская группа провела эксперимент по изучению стабильности катализатора. Используя кислый электролит (с кислотностью 0,3), они подали ток силой 10 мА на электрод диаметром 1 ㎠. Разработанный катализатор продемонстрировал стабильную работу даже после более чем 100 часов работы.

Профессор Рю заключает:

Разработка этого трехэлементного катализатора имеет большое значение, поскольку он способен заменить дорогостоящие платину и иридий одновременно. Ожидается, что он будет применяться в высокочистых системах производства зеленого водорода, поскольку его можно легко и стабильно синтезировать даже в высоко коррозионных кислотных условиях.