Jihokorejský výzkumný tým úspěšně vyvinul pokročilý elektrochemický katalyzátor. Jde o inovaci, která by mohla vést k nové generaci technologií pro udržitelnou produkci vodíků pro vodíkovou energetiku.
Vodík je všeobecně považován za čistý zdroj energie, protože při spalování neemituje oxid uhličitý, což z něj činí slibnou alternativu k fosilním palivům. A jedním z nejúčinnějších způsobů ekologické výroby vodíku je elektrolýza vody, která štěpí vodu na vodík a kyslík pomocí elektřiny. Tu lze provádět různým způsobem. V poslední době si získala pozornost metoda aniontové výměnné membrány AEMWE (anion exchange membrane water electrolysis), která vyrábí velmi čistý vodík. Aby ale tato metoda mohla být komerčně úspěšná, potřebuje vhodný katalyzátor, který by byl hodně účinný i stabilní.
V současnosti se jako katalyzátoru při AEMWE elektrolýze používá platina, která je příliš drahá, případně alternativy s „levnými“ kovy, které ale bývají méně účinné i méně stabilní. Jin Young Kim se svými kolegy ze Soulské národní univerzity a ve spolupráci s profesorem Chan Woo Leem z Kookminovy univerzity a Dr. Sung Jong Yooem z Korejského institutu vědy a technologie (KIST) však vyvinuli nový typ pokročilého elektrochemického katalyzátoru založeného na nanoklastrech s rutheniem, které jsou oproti platině více než dvojnásobně hospodárnější a současně 4,4× výkonnější než katalyzátor se stejným obsahem platiny.
Nanoklastry (nanocluster) založené na rutheniu disponují strukturou jádro-obal (core-shell). Jde o nanočástice menší než 2 nm. Jádro z oxidu ruthenia má obal z porézního oxidu titanu dopovaného molybdenem a celý nanoklastr je umístěn na substrátu z oxidu titanu rovněž dopovaného molybdenem.
Přestože obsahuje jen mizivé množství tohoto drahého kovu, jeho unikátní struktura pěnové elektrody optimalizuje přívod reakčních materiálů a zajišťuje vynikající stabilitu i při vysokých proudových hustotách.
Vývojový proces zahrnoval několik klíčových inovací. Nejprve výzkumný tým ošetřil titanový pěnový substrát peroxidem vodíku, čímž vytvořil tenkou vrstvu oxidu titaničitého.
Následovalo dopování přechodným kovem molybdenem (Mo). Následně byly na modifikovaný substrát rovnoměrně naneseny nanočástice oxidu ruthenia o velikosti pouhých 1—2 nm.
Přesné nízkoteplotní tepelné zpracování indukovalo difuzi na atomární úrovni, čímž vznikla struktura jádro-obal. Během reakce vývoje vodíku elektrochemický redukční proces dále zlepšil vlastnosti materiálu, což vedlo k jádru z ruthenia zapouzdřenému porézní redukovanou monovrstvou oxidu titaničitého s atomy kovového molybdenu umístěnými na rozhraní.
Další výhodou tohoto katalyzátoru je, že je velmi účinný při použití s průmyslovým zařízením pro elektrolýzu vody a má slušný potenciál pro komerční aplikace.
Vizualizace nanoklastru s jádrem a obalem © Seoul National University College of Engineering