Міжнародна група вчених розробила нанокомпозитні матеріали на основі оксидів заліза, нікелю та вуглецевих нановолокон, які здатні замінити дорогі метали — платину, рутеній та іридій — в електрокаталізаторах для виробництва чистого водню. Результати дослідження опубліковано в журналі ACS Applied Nano Materials.
Головною перешкодою для масштабного виробництва зеленого водню шляхом електролізу води залишається висока вартість електрокаталізаторів — найкращі з них виготовляють із платини, рутенію та іридію. Міжнародна група вчених запропонувала альтернативу: нанокомпозити на основі доступних оксидів заліза й нікелю, закріплених на вуглецевих нановолокнах, вирощених безпосередньо на двовимірних нанолистах MXene (Ti₃C₂Tₓ).
Для синтезу матеріалів використовували метод хімічного осадження з газової фази за високих температур — спочатку 400 °C, потім 720 °C із застосуванням ацетилену протягом двох годин. Такий підхід дозволив зберегти шарувату структуру MXene, схильного до окиснення та злипання, і сформувати електропровідну основу з великою кількістю активних центрів. Отримані матеріали отримали позначення FeO-CNFMX та NiO-CNFMX.
Лабораторні випробування проводили в одномолярному розчині гідроксиду калію. Для реакції виділення кисню нікелевий композит NiO-CNFMX показав перенапругу 300 мілівольт при густині струму 10 міліампер на квадратний сантиметр — лише на 50 мілівольт більше, ніж у еталонного оксиду рутенію (250 мілівольт). Залізний аналог FeO-CNFMX продемонстрував результат 360 мілівольт. Опір перенесенню заряду у нікелевого матеріалу становив 15,5 Ом, у залізного — 16,5 Ом.
Під час випробувань повноцінного прототипу електролізера з однаковим матеріалом на обох електродах результати розійшлися. Залізний композит досяг робочої густини струму 10 міліампер на квадратний сантиметр за напруги 2,2 вольта, тоді як нікелевому знадобилося 2,7 вольта — оскільки залізні центри ефективніше прискорюють виділення кисню. Упродовж 24-годинного тестування обидва матеріали зберегли стабільність: зміна напруги становила лише 0,2–0,3 В.
Автори визнають, що за ефективністю реакції виділення водню нові каталізатори поки що поступаються платині. Утім, вони наголошують, що простий і масштабований метод синтезу відкриває перспективи для створення дешевих систем електролізу промислового масштабу.
Для контексту дослідники наводять такі дані: нині близько 96% світового водню отримують із викопного палива — через газифікацію вугілля та парову конверсію природного газу. Виробництво 1 кілограма так званого сірого водню супроводжується викидом близько 10 кілограмів CO₂, синього — близько 6 кілограмів. Електроліз води дозволяє уникнути цих викидів повністю.
