Průlom ve výrobě zeleného vodíku: Nový model odhaluje klíč k účinným elektrokatalyzátorům

Vodík je ústředním prvkem přechodu k uhlíkové neutralitě, slouží jako nosič energie i jako reaktant pro zelenou chemii. Jeho velkovýroba elektrolýzou, stejně jako produkce mnoha dalších chemických látek, však vyžaduje výrazně levnější a účinnější katalyzátory.

Vodík je ústředním prvkem přechodu k uhlíkové neutralitě, slouží jako nosič energie i jako reaktant pro zelenou chemii. Jeho velkovýroba elektrolýzou, stejně jako produkce mnoha dalších chemických látek, však vyžaduje výrazně levnější a účinnější katalyzátory. Přesné pochopení elektrochemických procesů, které probíhají na rozhraní mezi pevným katalyzátorem a kapalným médiem, je pro vývoj lepších elektrokatalyzátorů zásadní. Evropský tým nyní v časopise Nature Communications představil výkonný model, který určuje separaci náboje na rozhraní, tvorbu elektrické dvojvrstvy a lokální variace elektrického potenciálu, a tím i jejich vliv na katalytickou aktivitu.

Elektrokatalýza je technologie s obrovským potenciálem: s vhodnými elektrokatalyzátory a zelenou energií lze vodík vyrábět téměř bez dopadu na klima, nebo například přeměňovat CO2 na uhlovodíky. Konvenční katalyzátory se bohužel skládají z drahých kovů, jako je platina nebo iridium. Nákladově efektivní katalyzátory byly dosud vyvinuty pouze pro určité dílčí reakce, například z hydroxidů přechodných kovů. Výzkum však ukázal, že povlakování kovových povrchů nanoklastry hydroxidu niklu může také zvýšit katalytickou aktivitu, ale dosud nebylo jasné, proč tomu tak je.

Vědci Arsène Chemin a David Amans z Institut Lumière Matière a Université Claude Bernard Lyon 1, ve spolupráci s Tristanem Petitem a Louisem Godeffroyem z Helmholtz-Zentrum Berlin, vyvinuli model založený na fyzice pevných látek pro popis rozhraní kov/polovodič/elektrolyt během elektrokatalýzy. Model propojuje fyziku pevných látek a chemii tím, že sjednocuje Fermiho hladinu s chemickým potenciálem, a poskytuje tak přímou vazbu na elektrochemické formalizmy, jako je Butler-Volmerova kinetika. Konkrétně zohledňuje mezifázové potenciálové bariéry a elektrická pole vyvolaná přenosem náboje, čímž odhaluje původ separace náboje na rozhraní a demonstruje, jak se tvoří elektrická dvojvrstva, která ovlivňuje lokální elektrický potenciál.

Lokální elektrický potenciál se ukazuje být omezujícím faktorem pro katalytickou aktivitu většiny kovových elektrod. Model také poskytuje vhled do toho, jak lze zvýšit elektrokatalytickou aktivitu tenkovrstvých katalyzátorů zmírněním tohoto potenciálu; například uložením tenké polovodičové vrstvy (1 až 10 nm) na kovovou elektrodu. Poskytuje teoretická kritéria pro návrh účinných elektrod a navádí vývoj nových materiálů.

Tento model nabízí detailnější pohled na elektrochemické chování na rozhraních pevná látka-kapalina. To by mohlo usnadnit vývoj účinnějších materiálů pro aplikace, jako je elektrokatalýza, baterie a technologie přeměny energie, a to díky implementaci cílených strategií.