Рецепт идеального электрода. Берем 7 металлов, устраиваем хаос в кристалле и получаем водород в три раза быстрее

Смешивание множества элементов обычно разрушает материал, но иногда работает наоборот. Если подобрать состав, рост беспорядка в кристаллической решётке повышает устойчивость. Инженеры KAIST использовали этот эффект и получили электрод, в котором реакции идут заметно быстрее, а водород выделяется эффективнее.

Команда под руководством Кан Тэк Ли из кафедры машиностроения разработала кислородный электрод для электрохимических ячеек. Именно на этом электроде протекает реакция выделения кислорода при расщеплении воды. Узкое место всей схемы давно известно: реакция здесь идёт медленно, из-за чего падает эффективность установки.

Речь идёт о так называемом зелёном водороде, который получают из воды без выбросов углерода. Один из перспективных вариантов — протонные керамические электрохимические элементы, или PCEC. В таких системах вода расщепляется электричеством, а протоны проходят через твёрдый электролит. Теория обещает высокую эффективность, но кислородный электрод тормозит процесс.

Чтобы обойти ограничение, исследователи выбрали стратегию высокоэнтропийного материала. В решётку одновременно вводят несколько разных металлов и повышают степень беспорядка. В обычных условиях смесь из множества элементов распадается или даёт нестабильную структуру, но при правильном подборе состава возникает обратный эффект — формируется устойчивая однофазная система.

На этой основе собрали двойной перовскит с высоким уровнем энтропии. В так называемую A-подрешётку добавили сразу 7 элементов: празеодим, лантан, натрий, неодим, кальций, барий и стронций. Перовскит — распространённый тип кристаллической структуры, который часто используют в энергетических материалах. В новой версии классическую схему усилили двойной перовскитной конфигурацией и «перемешали» большим числом элементов.

Такой состав меняет поведение заряда внутри электрода и ускоряет реакции с кислородом. В результате электрохимические процессы идут быстрее как в режиме генерации электричества, так и при производстве водорода.

Расчёты на основе теории функционала плотности показали, что энергия образования кислородных вакансий снизилась более чем на 60% по сравнению с обычными материалами. Кислородная вакансия — это место в решётке, где отсутствует атом кислорода, и именно там протекают ключевые реакции. Чем легче образуются такие участки, тем активнее работает электрод.

Эксперименты подтвердили расчёты. Анализ методом TOF-SIMS показал, что скорость переноса протонов выросла более чем в 7 раз. Для PCEC это критичный параметр: чем быстрее движутся протоны, тем эффективнее идёт образование водорода.

Практические показатели выросли заметно. Плотность мощности достигла 1,77 Вт на квадратный сантиметр при 650 градусах Цельсия — примерно в 2,6 раза выше, чем у стандартных решений. Производительность по водороду при тех же условиях увеличилась примерно втрое и достигла 4,42 ампера на квадратный сантиметр.

Отдельно проверили стабильность. В течение 500 часов работы в паровой среде деградация составила всего 0,76%. Для подобных систем такой уровень падения характеристик считается очень низким и говорит о том, что материал выдерживает длительную эксплуатацию.

Работа показывает, что термодинамический параметр, который обычно связывают с беспорядком, можно использовать как инструмент управления реакциями в электроде. Подход открывает путь к более эффективным установкам для получения водорода из воды и снижению себестоимости такого топлива.