Недавно профессор Чжоу Вэй из исследовательской команды профессора Гао Цзихуэя (Институт энергетики и инженерии Харбинского политехнического университета) добился значительного прогресса в изучении механизма динамической защиты каталитической поверхности при прямом электролизе морской воды для получения водорода. Путём мониторинга непосредственно в процессе самореконструкции катализатора и динамической эволюции водородных связей на межфазной границе непосредственно в процессе реакции исследователи впервые выявили взаимосвязь между реконструкцией катализатора и стабильностью катализа. Это открывает новый подход к решению проблемы коррозии, вызываемой хлором, при производстве водорода из морской воды.
Результаты исследования опубликованы в статье «Переопределение взаимосвязи между реконструкцией катализатора и Cl⁻-отталкиванием для описания динамического защитного скелета при расщеплении морской воды» (Redefining catalyst reconstruction and Cl⁻-repulsion correlation to delineate a dynamic protective skeleton for seawater splitting) в журнале Nature Communications.
Рисунок 1. Механизм реконструкции катализатора NiFeS и усиления сетки водородных связей на границе раздела для отбора OH⁻/Cl⁻
По сравнению с прокладкой дорогостоящих подводных кабелей, производство водорода из морской воды считается ключевой технологией, способной обеспечить прорыв в развитии глубоководной ветроэнергетики. Коррозия, вызванная ионами хлора в морской воде, является главным препятствием для практического применения технологии прямого электролиза морской воды для получения водорода. Предыдущие исследования показали, что в щелочной среде активная реконструкция катализатора приводит не только к образованию высокоактивного слоистого двойного гидроксида, но и к выщелачиванию неметаллических элементов, которые формируют защитный слой на поверхности катализатора, повышая его стабильность. Однако до сих пор не хватало прямых доказательств на атомарном уровне и убедительных объяснений того, как именно анионы активно участвуют в укреплении межфазной стабильности. Этот пробел в теоретическом понимании серьёзно ограничивал рациональное конструирование высокоэффективных катализаторов.
Исследовательская группа, применяя оригинальный двухстадийный метод травления Fe-S, успешно синтезировала крупноразмерный (1 м²) катализатор NiFeS. С помощью комбинации операторного рамановского и синхротронного мониторинга процесса динамической реконструкции NiFeS, а также моделирования AIMD и операторной рамановской спектроскопии было доказано, что образующиеся после выщелачивания серы ионы SO₄²⁻эффективно усиливают сетку водородных связей на межфазной границе. Это обеспечивает преимущественный массоперенос OH⁻ и подавляет диффузию Cl⁻. После реконструкции сформировались высокоактивные NiFe-LDH и SO₄²⁻, что обеспечило высокостабильный электролиз в естественной морской воде в течение 2000 часов при плотности тока 1,0 А/см², а также позволило выдержать 1500 циклов запуска и остановки. Данное исследование по-новому определяет взаимосвязь между реконструкцией катализатора и устойчивостью к хлоридам, подчёркивая важность реконструкции катализатора для стабильного электролиза морской воды. Результаты исследования предоставляют ключевую основу для разработки катализаторов и технологических процессов прямого электролиза морской воды для получения водорода.
Рисунок 2. Схема реконструкции катализатора и механизма сепарации OH⁻/Cl⁻
В своих предыдущих работах команда за счёт регулирования анодных реакций на границе раздела и контроля переноса ионов в щелочной морской воде получила стабильный электролиз морской воды для производства водорода в течение тысячи часов при больших токах. В настоящее время исследовательская группа проверяет стабильность прототипа мощностью 10 кВт на основе этой каталитической системы. Предыдущие результаты, опубликованные в журналах Energy & Environmental Science, Advanced Functional Materials, ACS Catalysis, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, привлекли широкое внимание коллег в стране и за рубежом.
Институт энергетической науки и инженерии ХПУ является единственной аффилиацией автора-корреспондента статьи. Аспирант Института энергетики Юй Ян – первый автор статьи, профессор Чжоу Вэй – ответственный автор. В исследовании также приняли участие аспиранты Чжоу Сяохань, Чжан Сюэвэй, Чэнь Инцзянь, магистрант Юань Цзюньшу, младший научный сотрудник Ли Сюйхань, доцент Мэн Сяосяо, профессор Сунь Фэй, профессор Гао Цзихуэй, профессор Чжао Гуанбо, а также постдок Ся Сяо из Университета Цзинань, профессор Чжан Лицян из Шаньдунского университета, сотрудник Ван Синсин с электростанции Тайшань компании «Го Нэн».