Бифункциональные электрокатализаторы для безмембранного разделенного электролиза в щелочных растворах

Водород является универсальным энергоносителем с широким спектром применения в различных областях энергетики, транспорта и промышленности. В ближайшем будущем необходимость увеличения производства электролитического водорода связана как с развитием его традиционных потребителей, так и с появлением новых, таких как автомобильный транспорт, космонавтика, электростанции на основе топливных элементов, электростанции и системы преобразования и хранения энергии на основе возобновляемых источников энергии и многих других. На сегодняшний день, высокая цена электролитического водорода, произведенного с использованием твердополимерных электролизеров, использующих электрокатализаторы на основе драгоценных металлов и дорогостоящие мембраны, препятствует широкому распространению водородных технологий, а традиционный щелочной электролиз крайне не энергоэффективен. Настоящий проект направлен на разработку бифункциональных электрокатализаторов для высокоэффективного «разделенного» электролиза (РЭ) водных растворов в щелочной среде. Данное решение основано на пространственном разделении ячеек, в которых производится водород и кислород, и транспорте электронов с помощью твердых медиаторов. РЭ позволяет проводить реакции выделения кислорода (РВК) и водорода (РВВ) в разных областях пространства, в разное время и со скоростью, которая не ограничена более медленной реакцией РВК. РЭ имеет значительные потенциальные преимущества перед другими конфигурациями электролизеров за счет существенного удешевления производства водорода ввиду отсутствия дорогостоящих мембран и сепараторов, при сохранении ключевых преимуществ электролизеров с протонообменными мембранами (компактный и простой дизайн, быстрый отклик и запуск, высокую чистоту водорода, высокую энергоэффективность и длительный срок службы). Целью проекта является разработка бифункциональных электрокатализаторов для РЭ, проявляющих высокую активность и стабильность в условиях периодической смены полярности электролизной ячейки, которая необходима для обеспечения непрерывной работы устройства. Непрерывность функционирования электролизера обеспечивается инверсией катода и анода электролизера по достижении полного заряда/разряда твердотельного медиатора. В связи с этим, помимо критерия бифункциональности, электрокатализаторы должны удовлетворять критерию стабильности при периодической смене протекающей реакции (РВВ или РВК). Поиск оптимального состава катализатора будет проводиться внутри класса сульфидных электрокатализаторов переходных металлов, для отдельных представителей которого получены сведения о высокой активности как в РВВ, так и в РВК. Выбор состава сульфидных бифункциональных электрокатализаторов будет осуществлен путем рационального дизайна с использованием дескрипторов каталитической активности, причем дескрипторы будут найдены из анализа данных ab initio молекулярного моделирования с помощью искусственного интеллекта (ИИ). Идея рационального дизайна бифункциональных сульфидных электрокатализаторов для функционирования при циклическом изменении протекающих на поверхности электрокатализатора процессов для обеспечения высокой скорости производства водорода предложена впервые. Успешное выполнение задач проекта позволит сконструировать прототип электролизера на основе разработанных высокоактивных электрокатализаторов и провести электрохимические испытания для определения максимальной энергоэффективности при высоких токах выделения водорода, стабильности, и перспектив дальнейшей оптимизации конфигурации электролиза для практического использования.