Недавний прорыв, опубликованный в журнале Nature Energy исследовательскими группами из Тяньцзиньского университета, Университета Нью-Мексико, Университета Сунь Ятсена и других учреждений, успешно преодолел ключевую проблему потребности электролизеров с протонообменной мембраной (ПОМ) в сверхчистой воде. Путем внедрения оксидов Брёнстеда-Лоури в катодный каталитический слой электролизеров ПОМ они создали локальную сильно кислую микросреду, заложив ключевую основу для низкозатратного и широкомасштабного применения зеленого водорода.
Исследовательский фон: Зависимость от сверхчистой воды становится узким местом для продвижения технологии
Электролизеры с протонообменной мембраной являются ключевой технологией производства зеленого водорода, но они предъявляют чрезвычайно строгие требования к качеству воды, требуя использования сверхчистой воды с удельным сопротивлением 18 МОм·см. Примеси катионов, такие как Ca²⁺, Mg²⁺ и Fe³⁺, в питательной воде могут вызывать ряд проблем: с одной стороны, они проникают через протонообменную мембрану и замещают ионы H⁺ внутри мембраны, вызывая резкий рост локального pH на катоде до сильно щелочных уровней, что подавляет кинетику реакции выделения водорода и приводит к осаждению гидроксидов, дезактивируя катализатор; с другой стороны, ионы, такие как Fe³⁺, могут инициировать реакции Фентона, генерируя активные формы кислорода, которые ускоряют деградацию протонной мембраны, что в конечном итоге приводит к выходу электролизера из строя. Это не только увеличивает затраты на предварительную очистку воды, но и ограничивает развертывание в регионах с дефицитом воды.
Ключевая стратегия: Создание локальной сильно кислой микросреды
Используя сканирующую электрохимическую микроскопию в сочетании с технологией pH ультрамикроэлектродов, исследовательская группа провела мониторинг in situ и обнаружила, что при использовании нечистой воды локальный pH на катоде резко возрастал до 10,4 при плотности тока 0,5 А·см⁻². Чтобы решить эту проблему, команда предложила механизм «регулирования локального pH» и выбрала оксид молибдена(VI) (MoO₃), который проявляет наиболее сильную кислотность по Брёнстеду-Лоури, для нанесения на катализаторы Pt/C. Рабочий механизм заключается в следующем: под действием катодного потенциала MoO₃ способствует диссоциации молекул поверхностной воды и протонируется с образованием структур Mo-O-H, которые впоследствии высвобождают ионы H⁺ в двойной электрический слой на границе раздела электрод/электролит. Благодаря циклу «диссоциация воды – протонирование – депротонирование» вокруг катализатора поддерживается сильнокислая микроокружающая среда.
Ключевой результат: выдающаяся производительность при работе в неочищенной воде
Новый электролизёр с катализаторами MoO₃-Pt/C сохранял стабильный локальный катодный pH в сильнокислом диапазоне 2,5–3,5 даже в воде, содержащей различные катионные примеси. Поляризационные кривые показали, что его производительность практически идентична стандартным электролизёрам, работающим на чистой воде, и оставалась стабильной более 100 часов при плотности тока 1,0 А·см⁻². Длительные испытания подтвердили, что сильнокислая среда эффективно подавляет осаждение гидроксидов и металлов, сохраняя активность катализатора.
Ключевое преимущество: прорыв в защите мембраны и устойчивости к качеству воды
Сравнительные испытания показали, что после 100 часов работы в воде с Fe³⁺ стандартные электролизёры демонстрировали чрезвычайно высокий уровень активных форм кислорода в стоках и ионов фтора из-за деградации мембраны, с повреждённой структурой мембраны и осаждением Fe на катоде. В то же время соответствующие показатели нового электролизёра почти не отличались от наблюдаемых при работе на чистой воде, без значительной деградации мембраны или осаждения Fe. Более строгие испытания водопроводной водой выявили, что стандартные электролизёры выходили из строя менее чем через 100 часов работы, тогда как новый электролизёр мог стабильно работать более 3,000 часов в водопроводной воде при промышленной плотности тока 1,0 А·см⁻² практически без снижения производительности. В тесте с переключением «чистая вода – водопроводная вода» напряжение нового электролизёра лишь незначительно увеличилось с 1,71 В до 1,73 В, демонстрируя высокую нечувствительность к качеству воды.
Выводы и перспективы: снижение затрат и повышение эффективности стимулируют внедрение зелёного водорода
Благодаря включению оксидов Брёнстеда эта технология достигла трёх эффектов: преодоление роста pH, ингибирование осаждения и защита протонообменной мембраны, освобождая PEM-электролизёры от зависимости от систем сверхчистой воды. Технико-экономический анализ показывает, что в сценариях с неочищенной водой она может снизить приведённую стоимость водорода на 0,30%–8,19%, экономя от десятков до сотен тысяч долларов США ежегодно. Этот прорыв значительно сокращает инвестиции в инфраструктуру и эксплуатационно-ремонтные расходы производства водорода методом PEM, предлагая жизнеспособное решение для масштабного применения технологии зелёного водорода в регионах с дефицитом воды.
