Z 718 možností k jedinému: Nový katalyzátor RuO₂ s vanadem zlevní výrobu zeleného vodíku

Vědecký tým z Tohoku University a East China University of Science and Technology vyvinul systematickou metodu pro výběr ideálního katalyzátoru, která místo zdlouhavého zkoušení mnoha kombinací využívá experimentální data a vědecké teorie.

Vědecký tým z Tohoku University a East China University of Science and Technology vyvinul systematickou metodu pro výběr ideálního katalyzátoru, která místo zdlouhavého zkoušení mnoha kombinací využívá experimentální data a vědecké teorie. Tato inovativní screeningová metoda dokáže z obrovského množství chemických kombinací zúžit seznam na několik desítek slibných kandidátů, které lze následně testovat v laboratoři.

Nedávné výsledky týmu demonstrují přínosy tohoto pracovního postupu a jeho úspěšnou aplikaci na specifický katalyzátor na bázi ruthenia (Ru). Vědci nejprve analyzovali rozsáhlý datový soubor 718 katalyzátorů, které urychlují chemickou reakci zvanou kyselá evoluce kyslíku. Následně použili teoretické modely k výběru vhodného dopantu – materiálu, který se přidává v malém množství k základnímu materiálu, aby změnil jeho vlastnosti – pro RuO₂.

Identifikovali dvacet kovových dopantů a pomocí statistické analýzy vybrali nejslibnějšího kandidáta. Tato uzavřená strategie vedla k identifikaci RuO₂ dopovaného vanadem (V) jako katalyzátoru, který kombinuje vysokou aktivitu s dlouhodobou stabilitou v kyselém prostředí. Pro ověření předpovědí syntetizovali a otestovali V-dopovaný RuO₂. Zjistili, že přidání malého množství vanadu má dvojí účinek: podporuje deprotonaci a stabilizuje aktivní místa ruthenia.

Výsledky ukazují, že dopování vanadem je účinná metoda pro podporu kinetiky reakce OER (Oxygen Evolution Reaction), čímž se reakce stává efektivnější. Dopovaný katalyzátor navíc výrazně překonal komerční RuO₂. Profesor Hao Li z Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) zdůrazňuje, že navržená screeningová metoda umožnila nalézt vysoce slibný katalyzátor s odolností i praktickým výkonem. To je klíčové, protože účinnější a odolnější elektrolyzéry vody mohou snížit náklady na elektřinu při výrobě zeleného vodíku, podpořit skladování čisté energie, integraci obnovitelných zdrojů a budoucí nízkouhlíková chemická odvětví.

Dalším krokem je rozšíření tohoto datově-teoreticko-experimentálního rámce na širší škálu katalyzátorů pro oxidaci vody v kyselém prostředí a na realistické provozní podmínky elektrolyzérů vody s protonovou výměnnou membránou (PEMWE). Výzkumný tým rovněž plánuje integrovat strojové učení, operando charakterizaci a mikrokinetické modelování, aby vytvořil obecnější metodologii pro objevování odolných elektrokatalyzátorů za provozních podmínek.