Исследователи из японского университета Тиба совершили прорыв, способный значительно снизить стоимость производства «зеленого» водорода из воды. Модифицируя платиновые катоды с помощью природных пуриновых оснований, они добились увеличения эффективности ключевой реакции – расщепления воды на водород – в четыре раза.
Высокие затраты остаются главным препятствием для массового производства водорода из воды. Например, стоимость электролизеров – устройств, в которых происходит этот процесс, – в 2024 году составляет 2000–2600 долларов за киловатт. Чтобы технология стала рентабельной, Министерство энергетики США поставило амбициозную цель – снизить стоимость водорода до 1 доллара за килограмм к 2030 году. Достижение этой цели требует не только дешевой электроэнергии, но и более эффективных электролизеров.
В соответствии с этими требованиями научная группа из Японии под руководством доктора Сюнносукэ Танаки и профессора Масаси Накамуры из Высшей школы инженерии университета Тиба нашла способ радикально сократить количество дорогостоящей платины, необходимой для катодов. Их метод заключается в добавлении пуриновых оснований – органических молекул, являющихся структурными компонентами ДНК и РНК. Эта простая модификация повысила активность реакции выделения водорода в 4,2 раза, открывая путь к более доступным и практичным системам электролиза воды. Результаты работы опубликованы в журнале International Journal of Hydrogen Energy.
«Запасы платины ограничены, что является проблемой для широкого внедрения катализаторов для электролиза воды и топливных элементов, – отметил профессор Накамура. – Значительное сокращение содержания платины в электрохимических устройствах станет важным шагом на пути к практическому применению катализаторов для электролиза воды».
В процессе расщепления воды ионы водорода оседают на поверхности катализатора и соединяются, образуя газообразный водород. В щелочной среде этот процесс усложняется и становится более энергозатратным. Опираясь на ранее известные данные о том, что кофеин (один из видов пуринов) способствует этому процессу, исследователи протестировали на монокристаллических платиновых электродах и другие пуриновые основания, включая ксантин, пурин, теофиллин и теобромин.
Эксперименты показали, что пурин и теофиллин оказались наиболее эффективными, увеличив скорость реакции в 4,2 и 5 раз соответственно. Ученые выяснили, что ключевую роль играет химическая структура молекул. В отличие от молекул с метильными группами, таких как кофеин, которые могут скапливаться и блокировать катализатор, пурин и ксантин образуют более стабильный слой, последовательно усиливая реакцию.
С помощью рентгеновской дифракции и теоретических расчетов команда раскрыла причину такого улучшения. Когда пурин адсорбируется на поверхности платины, он организует окружающие молекулы воды в клеточную структуру. Эта структура помогает быстро удалять с поверхности побочные продукты (гидроксид-ионы), тем самым снижая энергетический барьер для производства водорода.
Применение метода на коммерческом катализаторе платина/углерод (Pt/C) привело к увеличению его активности в 3,2 раза в щелочном растворе. Это открытие открывает путь к гораздо более доступному производству водорода за счет использования природного и широко распространенного вещества для повышения производительности дорогих электродов, приближая отрасль к достижению целевых показателей по стоимости на 2030 год.
«Электролиз воды с использованием возобновляемой энергии необходим для достижения углеродной нейтральности, – добавил профессор Накамура. – Высокоактивный катализатор для электродов, разработанный в этом исследовании, приведет к снижению затрат и повышению эффективности преобразования энергии в системах электролиза воды».
