Международная команда ученых из Южного федерального университета, Курчатовского института, Института катализа СО РАН и исследовательского центра HySA в ЮАР предложила способ снизить стоимость «зеленого» водорода без отказа от ключевого, но крайне дорогого материала – иридия. Этот металл сегодня практически не имеет альтернатив в реакции выделения кислорода в протон-обменных мембранных электролизерах, работающих в агрессивной кислой среде, однако его высокая цена остается одним из главных факторов, сдерживающих масштабирование водородных технологий.
Вместо поиска замены редкому металлу ученые сосредоточились на том, как уже применяемый иридий ведет себя в реальных рабочих условиях. Ключевым элементом исследования стал этап активации катализатора – его электрохимическая подготовка перед испытаниями. Работа показала, что выбранный протокол активации во многом определяет состояние поверхности иридия и, как следствие, его эффективность. В зависимости от режима активации на поверхности формируются различные сочетания металлических и оксидных форм, которые по-разному влияют на скорость реакции, стабильность и срок службы катализатора.
Ранее этот фактор часто недооценивался, из-за чего результаты различных исследований было трудно сопоставлять, а перспективные материалы не всегда одинаково проявляли себя при переходе от лабораторных экспериментов к прикладным испытаниям.
Чтобы точно оценить вклад каждого фактора, исследователи сознательно работали с монометаллическими иридиевыми катализаторами, исключив влияние сплавов и добавок. Это позволило напрямую связать условия синтеза и активации с микроструктурой материала и его реальной электрохимической эффективностью.
Результаты исследования были проверены не только в стандартной лабораторной трехэлектродной ячейке, но и в прототипе электролизера, где условия ближе к промышленным. Эти испытания показали, что даже незначительные различия в активации способны существенно изменить поведение катализатора при высоких нагрузках и длительной работе.
В итоге ученым удалось сформулировать четкие методические рекомендации по подготовке и тестированию иридийсодержащих катализаторов, которые позволяют более точно оценивать их потенциал. Для производителей электролизеров это открывает возможность удешевления оборудования без смены технологий, а для отрасли в целом – снизить зависимость от дефицитного и дорогостоящего ресурса.
