Неблагородный никель-кобальтовый электрод позволяет почти на 100% сократить издержки при выпуске водорода. Такой прорыв способен снять ключевой финансовый барьер, мешающий массовому внедрению чистой энергетики по всему миру.
Ирина Петрова
Исследователи KIER оценивают эффективность электролиза воды с помощью недавно разработанного катализатора. И элементарной ячейки, оснащенной недавно разработанным каталитическим электродом. Источник фото:Корейский институт энергетических исследований (KIER)
Специалисты из Южной Кореи представили новый крайне недорогой элемент для производства экологически чистого водорода из воды и электричества.
Корейский институт энергетических исследований (Korea Institute of Energy Research, KIER) создал никель-кобальтовый электрод, не содержащий платины, для результативного электролиза щелочной воды. Данный электрод на базе гетероструктуры Ni/Co, в котором нет драгоценных металлов, увеличивает эффективность и удешевляет электролиз щелочной воды.
Подобный результат может устранить главное экономическое препятствие для глобального распространения экологически чистой энергии.
«Эта работа подтверждает, что электроды из неблагородных металлов способны обеспечить производительность и долговечность мирового уровня при электролизе щелочной воды», — заявил доктор Кён Су Кан, ведущий исследователь проекта KIER.
Удешевление производства «зеленого» водорода
В теории электролиз воды кажется предельно простым. Достаточно пропустить электрический ток через воду, расщепить молекулы и получить чистый водород без выбросов углекислого газа.
Однако на практике, особенно в крупномасштабных щелочных системах, реакция идет медленно. В щелочной среде расщепление молекул воды занимает более чем в 100 раз больше времени, чем в кислой. Для ускорения процесса в промышленных электролизерах применяют драгоценные металлы.
Платина стоит примерно 58 долларов за грамм, а рутений — около 54 долларов за грамм. Если умножить эти цифры на масштабы промышленных предприятий, массовое производство становится экономически невыгодным.
Команда KIER решила полностью отказаться от платины и создала электрод из никеля и кобальта. Экономический эффект от замены платины на никель-кобальтовую гетероструктуру выходит за рамки простого снижения стоимости материалов.
Платина не только дорога, но и подвержена деградации в щелочной среде при высоких плотностях тока, что требует периодической замены электродов и остановки производства. Никель и кобальт, напротив, широко доступны, их добыча и переработка хорошо освоены, а стоимость в 0,02 и 0,05 доллара за грамм соответственно делает капитальные затраты на электродный узел пренебрежимо малыми по сравнению с общими расходами на электролизер.
Как дешевые металлы могут превзойти платину? Все дело в продуманной архитектуре. Команда создала двухкомпонентную гетероструктуру, в которой оксид никеля и никель-кобальтовый сплав объединены на поверхности одного электрода.
Каждый компонент отвечает за отдельный этап реакции. Оксид никеля действует как химический катализатор, быстро расщепляя молекулы воды на начальном этапе диссоциации. В свою очередь сплав никеля и кобальта вступает в реакцию, соединяя высвободившиеся ионы водорода в пригодный для использования топливный газ.
Выдержать цикл испытаний на прочность
Результаты испытаний демонстрируют потенциал этой технологии. Электрод достиг одинаковой скорости выработки водорода при перенапряжении всего в 22,7 мВ, что составляет примерно 40 % от 56,5 мВ, необходимых для коммерческих платиновых систем.
«Разработанный электрод обеспечивает эквивалентную скорость производства водорода при перенапряжении примерно в 40 % от того, что требуется для обычных платиновых электродов, демонстрируя высочайшую производительность среди щелочных электродов из неблагородных металлов, о которых сообщалось за последние три года», — отметили исследователи.
Многие лабораторные инновации терпят неудачу при тестировании в реальных электросетях, где нестабильная солнечная и ветровая энергия подвергает оборудование суровым испытаниям. Компания KIER разработала свой новый электрод специально для того, чтобы он выдерживал такие непредсказуемые условия.
В ходе испытаний элементарной ячейки размером 8,7 сантиметра электрод снизил напряжение ячейки на 11 процентов по сравнению со стандартными никелевыми ячейками. Он даже выдержал 600 последовательных циклов включения и выключения без потери производительности. В будущем его можно будет использовать вместе с солнечными и ветровыми электростанциями, работа которых непредсказуема.
Команда уже перешла от лабораторных испытаний к промышленному производству. Соруководитель проекта доктор Хён Чжун Ли сообщил, что команда изготовила крупномасштабные электроды диаметром 40 сантиметров и совершенствует производственные процессы для коммерческого производства. Конечная цель — увеличить площадь поверхности электродов до 5000 квадратных сантиметров для прямой интеграции в промышленные установки мегаваттного масштаба.
Переход от лабораторных образцов к промышленным панелям сопряжен с рядом технологических сложностей, которые команде KIER предстоит решить в ближайшие годы. При увеличении площади электрода с 8,7 до 5000 квадратных сантиметров неравномерность распределения тока и локальные перегревы могут снизить эффективность катализатора.
Для борьбы с этим исследователи работают над методами нанесения гетероструктуры Ni/Co, обеспечивающими однородность покрытия на больших площадях. Доктор Хён Чжун Ли отметил, что текущие прототипы диаметром 40 сантиметров уже демонстрируют стабильные характеристики, однако для мегаваттных установок потребуется оптимизировать не только сам электрод, но и конструкцию электролизера в целом, включая систему подачи электролита и отвода газов.
Дальнейшие планы KIER включают создание демонстрационной мегаваттной установки, которая позволит оценить реальные эксплуатационные затраты и долговечность электродов в непрерывном режиме в течение нескольких лет.
Параллельно ведется работа над снижением содержания кобальта в сплаве, поскольку этот металл, хотя и значительно дешевле платины, остается предметом этических и экологических вопросов, связанных с добычей в некоторых регионах.
Если испытания пройдут успешно, технология может стать одним из ключевых элементов стратегии по снижению стоимости «зеленого» водорода до уровня ниже двух долларов за килограмм, что считается порогом экономической целесообразности для широкого внедрения в промышленности и на транспорте. Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Science.
Преимущества нового электрода
По оценкам KIER, снижение издержек новой технологии может достигать почти 100% именно в части катализатора, что при масштабировании производства способно существенно приблизить стоимость «зеленого» водорода к уровню, конкурирующему с водородом из ископаемого топлива.
Отдельного внимания заслуживает устойчивость нового электрода к циклическим нагрузкам, характерным для возобновляемой энергетики. Солнечные и ветровые генераторы работают неравномерно, и электролизеры вынуждены постоянно запускаться и останавливаться, что ускоряет износ традиционных катализаторов.
В ходе испытаний никель-кобальтовый электрод выдержал 600 последовательных циклов включения и выключения без потери производительности, что подтверждает его пригодность для работы в паре с нестабильными источниками энергии.
Этот результат важен не только для стационарных установок, но и для проектов, где водород выступает буфером для хранения избыточной энергии, вырабатываемой в пиковые часы.
Научная значимость работы заключается в подтверждении концепции разделения функций между компонентами гетероструктуры. Оксид никеля и никель-кобальтовый сплав работают на разных стадиях реакции, и именно такая архитектура позволяет достичь перенапряжения в 22,7 мВ, что составляет около 40% от показателей коммерческих платиновых систем.
Исследователи подчеркивают, что аналогичный подход может быть распространен на другие реакции, включая восстановление кислорода и окисление спиртов, где также требуется замена драгоценных металлов.
Публикация в Advanced Science.привлекла внимание международного сообщества, и несколько промышленных партнеров уже выразили заинтересованность в пилотных испытаниях.
Кстати, ученые всего мира разными путями пытаются решить проблему удешевления производства «зеленого водорода» . Так, мы писали, что специалисты Венского технического университета (Австрия) установили, что значительно более тонкое напыление платины способно предохранять детали, задействованные в получении водорода. Это открывает возможность уменьшить объём дорогостоящего металла, требуемого для таких защитных слоёв, приблизительно на 88 %.
А также публиковали материал о том, что катализатор, созданный специалистами из Браги (Португалия), способен сократить потребность в драгоценных металлах при выпуске «зеленого» водорода, он показал результаты лучше коммерческого образца, хотя доля драгоценных металлов в нем примерно вдвое ниже.
