Катализаторы на основе переходных металлов для электрохимического расщепления воды при высокой плотности тока: современное состояние и перспективы

Благодаря высокой энергетической плотности и отсутствию загрязняющих выбросов при сгорании водород как чистый энергоноситель имеет приоритетное значение для декарбонизации и создания устойчивой углеродно-нейтральной экономики. Электролиз воды с использованием возобновляемой электроэнергии для получения высокочистого «зелёного» водорода считается перспективной технологией. Однако электролиз воды требует значительного перенапряжения, особенно при крупномасштабном производстве: при плотности тока более 500 мА·см⁻² напряжение ячейки составляет 1,8–2,4 В. Поэтому для промышленного электролиза воды необходимо срочно разработать недорогие и устойчивые электрокатализаторы на основе переходных металлов, способные работать при высокой плотности тока. В обзоре обобщены и обсуждены стратегии и требования к созданию самонесущих электрокатализаторов. Далее рассмотрены основные механизмы электролиза воды — реакций выделения кислорода и водорода, а также важные параметры оценки, условия испытаний и пересчёт потенциалов, необходимые при исследовании электрокатализаторов, работающих при высокой плотности тока. Подробно описаны последние достижения в разработке самонесущих электрокатализаторов на основе переходных металлов для реакций выделения водорода и кислорода, а также для полного электролиза воды. Рассмотрены оксиды, гидроксиды, фосфиды, сульфиды, нитриды и сплавы, применяемые в щелочном электролите при высокой плотности тока. Особое внимание уделено современным подходам к созданию наноструктур, управляемому синтезу и пониманию механизмов, позволяющим повысить электрокаталитическую эффективность. В заключение обозначены нерешённые задачи и перспективы создания самонесущих электрокатализаторов на основе переходных металлов для работы при высокой плотности тока. Обзор призван помочь в рациональном проектировании и изготовлении таких электрокатализаторов для практического применения и тем самым способствовать промышленному получению водорода методом электролиза воды.