Электричество может генерироваться из возобновляемых источников, таких как солнечный свет и ветер, а затем использоваться для расщепления воды, что превращает водород в топливо для новых энергетических устройств, таких как топливные элементы.
Поскольку водород является чистым топливом, исследователи прилагают немало усилий для разработки катализаторов расщепления воды, которые необходимы для энергоэффективности реакции.
Основное внимание уделяется так называемой реакции выделения кислорода (OER), которая, возможно, является наиболее сложным процессом расщепления воды. После многих лет интенсивных исследований, оксид никеля и железа в настоящее время признан лучшим катализатором OER в щелочных условиях благодаря тому, что он обладает самой высокой активностью на участок реакции среди всех оксидов металлов.
Около трех лет назад ученые из лаборатории Xile Hu в EPFL обнаружили еще один катализатор, который был значительно более активным, чем оксид никеля и железа, хотя и имел аналогичный состав. Это надежный катализатор, простой в синтезе и открытый для промышленного применения.
Во главе открытия стоял Фан Сон и его коллеги из Шанхайского университете Цзяотун в Китае. Катализатор позволил создать эффективный электролизер, который мог бы работать в промышленных условиях, требуя на 200 мВ меньше напряжения.
Но новый катализатор был нетрадиционным с точки зрения химии. «Мы понятия не имели, почему катализатор будет таким активным», — говорят ученые. Поэтому они обратились за помощью к группе Клеманса Корминбофа в EPFL. Работая с Майклом Бушем, Корминбоф использовал вычисления теории функционала плотности (DFT) для поиска возможных теоретических объяснений. DFT — это вычислительный квантово-механический метод, который моделирует и изучает структуру систем многих тел, например атомов и молекул.
Результат был радикальным: высокая активность нового катализатора обусловлена совместным действием двух разделенных на фазы компонентов оксидов железа и никеля, которые преодолели ранее установленное ограничение обычных оксидов металлов, где реакция происходила локально только на одном металлическом участке. Они назвали это бифункциональным механизмом.
Используя рентгеновскую абсорбционную спектроскопию (XAS), в работе были обнаружены доказательства двухфазного разделения оксидов железа и никеля в катализаторе. Но поскольку катализаторы могут претерпевать изменения состава и структуры во время катализа, возникла необходимость в изучении катализатора в работе с XAS.
В обширном исследовании XAS ученые раскрыли уникальную структуру катализатора — он состоит из нанокластеров γ-FeOOH, ковалентно связанных с подложкой γ-NiOOH, что делает его катализатором оксида железа-никеля, в отличие от обычного оксида никеля-железа. Хотя эта структура не является прямым доказательством, она совместима с предлагаемым DFT бифункциональным механизмом.
«Это действительно междисциплинарное исследование, в котором участвуют многие плодотворные сотрудники», — говорит Ху. «Фундаментальные исследования не только дают представление о структуре и деятельности этого нетрадиционного катализатора, но также приводят к наводящей на размышления механистической гипотезе».
Fang Song et al, An Unconventional Iron Nickel Catalyst for the Oxygen Evolution Reaction, ACS Central Science (2019). DOI: 10.1021/acscentsci.9b00053