Высокопроизводительные безиономерные катоды с газовой диффузией и низким содержанием Pt для электролиза воды на протонной обменной мембране

Превращение воды в топливо с меньшим расходом благородного металла

Водород, полученный из воды с использованием возобновляемой электроэнергии, часто позиционируют как чистое топливо для тяжёлой промышленности, судоходства и долговременного накопления энергии. Но наиболее эффективные на сегодняшний день устройства для разложения воды зависят от больших количеств платины — одного из самых редких и дорогих металлов на Земле. В этом исследовании показан способ использовать почти в сто раз меньше платины на одной из сторон таких устройств, не теряя в производительности и стабильности, что приближает доступный зелёный водород на шаг ближе.

Почему сокращение использования платины важно

Современные электролизёры воды на протонной обменной мемране — компактные устройства, разлагающие воду на водород и кислород — работают эффективно, но сильно зависят от двух редких «благородных» металлов. Иридий обеспечивает реакцию образования кислорода на аноде, тогда как платина катализирует формирование водорода на катоде. Несмотря на то, что платина великолепно проявляет себя в лабораторных условиях, в реальных устройствах большая её часть находится в толстой слоисто-структурированной матрице, смешанной с ионпроводящим связующим, напоминающим пластик. Только часть металла одновременно контактирует с водой, газом и мембраной — условие, необходимое для протекания реакции. В результате производители компенсируют это добавлением большего количества платины, что повышает и стоимость, и расход материалов.

Одноступенчатый способ точного размещения атомов

Учёные подошли к этой проблеме, переосмыслив конструкцию катода. Вместо приготовления жидкой пасты и распыления её на опорную поверхность они использовали газовую технику, называемую атомно-слоевым осаждением (ALD). В процессе ALD поверхность попеременно облучают парами соединений платины и реактивным газом, что позволяет платины расти в виде крошечных, хорошо разнесённых наночастиц послойно. Эту процедуру применили непосредственно на коммерческом слое газовой диффузии — пористой углеродной пластине, пропускающей воду и газ — при необходимости с дополнительным тонким «микропористым слоем», выравнивающим поверхность. Регулируя число циклов ALD, можно было контролировать как количество осаждённых атомов платины, так и размер частиц, с нанометровой точностью.

Создание более тонкого и продуманного катодного слоя

Тщательная микроскопия и анализ поверхности подтвердили, что метод ALD формирует равномерные платиновые наночастицы, расположенные преимущественно на внешней поверхности опоры, а не глубоко внутри. На микропористом слое частицы оказались особенно малы и равномерно распределены, зачастую с размерами ниже двух нанометров при наименьшей загрузке металлом. Поскольку этот тонкий, гладкий слой обеспечивает хороший контакт с полимерной мембраной, оставаясь водоотталкивающим, он способствует выходу пузырьков водорода и поддерживает приток свежей воды к активным участкам. Электрические испытания в полноразмерных ячейках электролизёра показали, что эти новые катоды, даже при экстремально низком содержании платины примерно от 1 до 5 микрограммов на квадратный сантиметр, могут соперничать или превосходить коммерческие эталонные электроды, в которых содержание платины более чем в сто раз выше.

Производительность, КПД и долговечность

Чтобы понять, как и почему новая конструкция работает так хорошо, команда разложила напряжение ячейки на составляющие, связанные со скоростью реакции, электрическим сопротивлением и транспортом газа. Они обнаружили, что когда платина размещалась на микропористом слое методом ALD, скорость реакции образования водорода оставалась сопоставимой с таковой у обычных платинодержательных электродов, несмотря на резко меньшее содержание металла. В то же время более тонкая и упорядоченная область катализатора уменьшала проблемы накопления газа, которые в противном случае приводят к потере энергии. При нормировке производительности на массу платины преимущество стало очевидным: лучшие безиономерные катоды показали массовую активность до трёх порядков величины выше, чем стандартные коммерческие устройства, и превзошли лучшие результаты, опубликованные в научной литературе до сих пор.

Доказательство долговечности в реалистичных условиях

Использовать меньше платины имеет смысл только если устройство остаётся стабильным при длительной эксплуатации и при изменяющейся подаче мощности, характерной для ветровой и солнечной энергии. Поэтому команда испытала свои лучшие электроды в течение 200 часов при высоком токе, соответствующем промышленно релевантным скоростям производства водорода. Напряжение ячейки оставалось практически постоянным, с лишь незначительной деградацией. В отдельном тесте, моделировавшем быстрые колебания мощности — циклирование напряжения ячейки между низкими и высокими значениями в течение 25 000 циклов — электроды снова показали лишь малые потери в производительности. Электрические измерения до и после этих испытаний показали, что ни внутренняя активность платины, ни общее сопротивление ячейки существенно не изменились.

Что это значит для зелёного водорода

Проще говоря, эта работа демонстрирует, как «использовать каждый атом с умом». Размещая платину точно там, где она нужна — в очень тонком слое на интерфейсе между гладкой пористой опорой и мембраной — исследователи достигают того же выхода водорода при примерно на 99,5% меньшем содержании платины на катоде по сравнению с современными коммерческими разработками. Поскольку процесс ALD можно адаптировать к рулонной (roll-to-roll) производственной линии, аналогично печати газет, он предлагает реалистичный путь к массовому производству. В сочетании с параллельными усилиями по снижению использования иридия на аноде такие достижения могут сделать крупномасштабное эффективное производство зелёного водорода как технически, так и экономически осуществимым.

Цитирование: 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

Ключевые слова: зелёный водород, электролиз воды, платиновый катализатор, атомно-слоевое осаждение, электрод с газопроницаемой диффузией