Cercetătorii japonezi au dezvoltat un catalizator de iridiu mai durabil pentru producția de hidrogen
O echipă de cercetători de la Universitatea Tohoku a dezvoltat o nouă metodă de fabricare a catalizatorilor pe bază de iridiu, menită să prelungească durata de funcționare a acestora în procesul de producție a hidrogenului prin electroliza apei. Rezultatele au fost publicate în Journal of the American Chemical Society.
Hidrogenul poate fi obținut prin mai multe metode, însă nu toate sunt prietenoase cu mediul. Electroliza apei, care folosește electricitatea pentru a separa apa în hidrogen și oxigen fără a produce dioxid de carbon, este considerată o soluție promițătoare. Între diferitele abordări ale electrolizei, electroliza cu membrană schimbătoare de protoni (PEM) se remarcă prin capacitatea de a răspunde rapid la variațiile de alimentare cu energie electrică, ceea ce o face potrivită pentru utilizarea împreună cu surse regenerabile precum energia eoliană și solară.
Tehnologia se bazează însă pe catalizatori pe bază de iridiu pentru producerea oxigenului. Acest metal este scump din cauza rarității sale, iar catalizatorii își pot pierde treptat eficiența în timp.
Pentru a proteja iridiul de degradare, cercetătorii au încorporat nanoparticule de iridiu într-o structură special concepută de perovskit cu entropie înaltă. Această structură fixează ferm particulele și reglează mediul electronic din jurul lor.
„Am dezvoltat un material cu o structură cristalină specială care permite combinarea mai multor metale diferite în interiorul său. În perovskitii mai simpli, fiecare tip de sit cristalin este de obicei ocupat de un singur metal, dar perovskitii cu entropie înaltă ca aceștia permit mai multor metale să împartă același tip de sit. Astfel se creează numeroase aranjamente posibile de atomi, oferindu-ne o flexibilitate mai mare pentru a controla proprietățile materialului”, a explicat profesorul distins Hao Li de la Institutul de Cercetare Avansată a Materialelor (WPI-AIMR) din cadrul Universității Tohoku.
„Alegând cu atenție aceste metale, am reușit să combinăm stabilitatea structurală cu capacitatea de a ajusta proprietățile electronice ale materialului în timpul reacției, contribuind astfel la protejarea iridiului de degradare”, a adăugat el.
Pentru a transforma perovskitul cu entropie înaltă într-un catalizator, cercetătorii au folosit un proces numit exsoluție, în care materialul este încălzit în condiții speciale. Astfel, o parte din iridiul din interiorul materialului s-a deplasat la suprafață și a format nanoparticule. Spre deosebire de catalizatorii convenționali, unde nanoparticulele sunt de obicei depuse pe o suprafață de suport, aceste particule provin din interiorul materialului însuși, ceea ce le menține ferm pe poziție și împiedică deplasarea sau aglomerarea lor.
Cercetătorii au analizat modul în care noul material protejează iridiul în timpul electrolizei apei, proces în care iridiul poate pierde electroni și deveni instabil. Prin experimente și simulări computerizate, aceștia au constatat că perovskitul cu entropie înaltă ajută la reglarea distribuției electronilor în jurul iridiului.
În testele efectuate într-un electrolizor PEM, sistemul a funcționat peste 3.800 de ore cu pierderi minime de performanță. Într-un test separat, desfășurat în condiții și mai solicitante, acesta a funcționat peste 3.200 de ore.
Comparativ cu un catalizator convențional pe bază de iridiu, care a prezentat semne semnificative de degradare în decurs de 300 de ore, noul catalizator a rămas stabil peste 650 de ore.
„Rezultatele noastre arată că proiectarea atentă a materialului din jurul iridiului poate îmbunătăți semnificativ durabilitatea catalizatorului”, a declarat Li. „Sperăm că munca noastră va contribui la dezvoltarea unor sisteme de electroliză a apei mai fiabile și mai accesibile, făcând producția de hidrogen verde mai practică la scară largă.”
