Wysokowydajne bezjonomerowe katody dyfuzyjne gazu o niskim obciążeniu Pt do elektrolizy wody w ogniwach z membraną wymiany protonowej

Przekształcanie wody w paliwo przy mniejszym udziale metali szlachetnych

Wodór produkowany z wody i odnawialnej energii elektrycznej jest często przedstawiany jako czyste paliwo dla przemysłu ciężkiego, żeglugi i magazynowania energii długoterminowej. Jednak najbardziej wydajne dziś urządzenia do rozkładu wody opierają się na dużych ilościach platyny, jednego z najrzadszych i najdroższych metali na Ziemi. W tym badaniu pokazano sposób na zastosowanie niemal stu razy mniej platyny po jednej stronie tych urządzeń, bez utraty wydajności czy stabilności, co przybliża dostępny cenowo zielony wodór o kolejny krok.

Dlaczego redukcja użycia platyny ma znaczenie

Nowoczesne elektrolizery wody z membraną wymiany protonów — kompaktowe urządzenia rozdzielające wodę na wodór i tlen — działają dobrze, ale mocno polegają na dwóch rzadkich metalach „szlachetnych”. Iryd napędza reakcję powstawania tlenu na anodzie, podczas gdy platyna katalizuje tworzenie wodoru na katodzie. Chociaż platyna jest doskonałym katalizatorem w laboratorium, w rzeczywistych urządzeniach znaczna jej część znajduje się ukryta w grubej warstwie zmieszanej z jonoprzewodzącym spoiwem o właściwościach polimerowych. Tylko ułamek metalu ma jednoczesny kontakt z wodą, gazem i membraną, co jest wymagane do zajścia reakcji. W efekcie producenci rekompensują to, dodając więcej platyny, co zwiększa koszty i zapotrzebowanie materiałowe.

Jednostopniowy sposób precyzyjnego umieszczania atomów

Naukowcy rozwiązali ten problem, przemyślawszy sposób budowy katody. Zamiast przygotowywać ciekły tusz i natryskiwać go na podłoże, użyli techniki gazowej zwanej osadzaniem warstw atomowych (ALD). W ALD powierzchnia jest wystawiana na naprzemienne impulsy pary zawierającej platynę i gazu reaktywnego, pozwalając platynie rosnąć jako drobnym, dobrze rozdzielonym nanocząstkom warstwa po warstwie. Proces zastosowali bezpośrednio na komercyjnej warstwie dyfuzyjnej gazu — porowatej warstwie węglowej umożliwiającej przepływ wody i gazu — opcjonalnie pokrytej dodatkową cienką „warstwą mikroporowatą”, która wygładza powierzchnię. Poprzez dostrojenie liczby cykli ALD mogli kontrolować zarówno liczbę osadzonych atomów platyny, jak i wielkość cząstek, wszystko z nanometrową precyzją.

Budowa cieńszej, bardziej przemyślanej warstwy katodowej

Dokładne obrazowanie i analizy powierzchni potwierdziły, że metoda ALD wytwarzała jednorodne nanocząstki platyny umieszczone głównie na zewnętrznej powierzchni nośnika, zamiast wnikać głęboko w jego głąb. Na warstwie mikroporowatej cząstki były szczególnie małe i równomiernie rozłożone, często poniżej dwóch nanometrów przy najniższym obciążeniu metalu. Ponieważ ta cienka, gładka warstwa dobrze styka się z membraną polimerową, pozostając jednocześnie odpychająca dla wody, ułatwia ucieczkę pęcherzyków wodoru i zapewnia dopływ świeżej wody do aktywnych miejsc. Badania elektryczne w pełnych ogniwach elektrolizera wykazały, że te nowe katody, nawet przy ekstremalnie niskich ilościach platyny rzędu 1–5 mikrogramów na centymetr kwadratowy, mogły dorównać lub przewyższyć komercyjne elektrody referencyjne, których zawartość platyny jest ponad sto razy większa.

Wydajność, efektywność i trwałość

Aby zrozumieć, jak i dlaczego nowy projekt działa tak dobrze, zespół rozłożył napięcie ogniwa na składowe pochodzące od szybkości reakcji, oporności elektrycznej i transportu gazu. Stwierdzili, że gdy platyna została umieszczona na warstwie mikroporowatej za pomocą ALD, szybkość reakcji tworzenia wodoru pozostała porównywalna z reakcją w konwencjonalnych, bogatych w platynę elektrodach, mimo drastycznie mniejszej zawartości metalu. Jednocześnie cieńszy, dobrze zorganizowany obszar katalizatora zredukował problemy z gromadzeniem się gazu, które inaczej mogą marnować energię. Po normalizacji wydajności względem rzeczywistej masy platyny przewaga stała się wyraźna: ich najlepsze katody bez jonomeru wykazywały aktywności masowe aż do trzech rzędów wielkości wyższe niż standardowe urządzenia komercyjne i przewyższały najlepsze dotąd opublikowane wyniki w literaturze naukowej.

Dowód trwałości w realistycznych warunkach

Stosowanie mniejszej ilości platyny ma sens tylko wtedy, gdy urządzenie pozostaje stabilne podczas długotrwałego użytkowania i przy zmieniającej się mocy typowej dla wiatru i słońca. Zespół przeprowadził więc testy najlepszych elektrod przez 200 godzin przy wysokim prądzie, równoważnym przemysłowo istotnym szybkościom produkcji wodoru. Napięcie ogniwa pozostało niemal stałe, z jedynie minimalnym pogorszeniem. W oddzielnym teście symulującym szybkie wahania mocy — cyklowaniu napięcia ogniwa między niskimi i wysokimi wartościami przez 25 000 cykli — elektrody ponownie wykazały jedynie drobne spadki wydajności. Pomiary elektryczne przed i po tych testach wskazywały, że ani aktywność właściwa platyny, ani ogólna oporność ogniwa nie uległy znaczącym zmianom.

Co to oznacza dla zielonego wodoru

Mówiąc prosto, to badanie pokazuje, jak „mądrze wykorzystać każdy atom”. Poprzez umieszczanie platyny dokładnie tam, gdzie jest potrzebna — w bardzo cienkiej warstwie na styku pomiędzy gładkim, porowatym nośnikiem a membraną — badacze uzyskują tę samą produkcję wodoru przy około 99,5% mniejszej ilości platyny na katodzie niż w dzisiejszych projektach komercyjnych. Ponieważ proces ALD można dostosować do produkcji w trybie roll-to-roll, podobnie jak druk gazet, oferuje realistyczną ścieżkę do masowej produkcji. W połączeniu z równoległymi wysiłkami zmierzającymi do ograniczenia użycia irydu na anodzie, takie postępy mogą uczynić dużą skalę wydajnej produkcji zielonego wodoru zarówno technicznie, jak i ekonomicznie wykonalną.

Cytowanie: Chen, M., Piechulla, P.M., Mantzanas, A. et al. High-performance ionomer-free gas diffusion cathodes with low Pt loading for proton exchange membrane water electrolysis. Commun Mater 7, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01076-2

Słowa kluczowe: zielony wodór, elektroliza wody, katalizator platynowy, osadzanie warstw atomowych, elektroda dyfuzyjna gazu