Электролиз воды: от учебных основ к новейшим научным стратегиям и промышленным разработкам

Замена ископаемого топлива устойчивыми, экологически безопасными и доступными источниками и носителями энергии — одна из наиболее актуальных задач будущего социально-экономического развития. Для её решения водород считается наиболее перспективным энергоносителем. Электрокаталитическое расщепление воды с использованием экологически чистой электроэнергии позволяет получать водород с минимальным углеродным следом. Однако практическая реализуемость электролиза воды по-прежнему зависит от доступности долговечных электрокатализаторов на основе распространённых в природе элементов и общей эффективности процесса. В этом обзоре рассмотрены фундаментальные основы электрокаталитического расщепления воды, новейшие научные результаты университетских и исследовательских учреждений, а также характеристики и особенности современных промышленных процессов и технологий, испытываемых в крупномасштабных установках. Описаны недавно разработанные стратегии оптимизации и поиска активных и долговечных электродных материалов, в которых всё шире применяются расчёты из первых принципов и машинное обучение. Кроме того, представлен технико-экономический анализ электролиза воды, позволяющий оценить, в какой степени крупномасштабное внедрение расщепления воды может способствовать борьбе с изменением климата. Цель обзора — объединить и усилить исследования, охватывающие путь от фундаментального понимания до технической реализации, улучшить взаимодействие между физическими химиками, материаловедами и инженерами, а также стимулировать необходимый обмен информацией о проблемах, возникающих в различных областях.2