Для сокращения выбросов парниковых газов и борьбы с изменением климата необходимы устойчивые и возобновляемые источники энергии. Водород представляет собой чистый источник энергии с нулевым содержанием углерода и высокой удельной энергией по массе по сравнению с бензином.
Одним из перспективных методов получения водорода является электрохимическое расщепление воды, при котором с использованием электричества вода разделяется на водород и кислород. В сочетании с возобновляемыми источниками энергии данный метод обеспечивает устойчивый путь производства водорода и может способствовать снижению выбросов парниковых газов.
Тем не менее, промышленное применение этого метода ограничено из-за необходимости использования катализаторов на основе дорогостоящих редкоземельных металлов. Поэтому ведётся поиск более доступных электрокатализаторов, включая соединения на основе переходных металлов. Среди них фосфиды переходных металлов (TMPs) привлекают внимание в качестве катализаторов реакции выделения водорода (HER) благодаря благоприятным свойствам. Однако их эффективность в реакции выделения кислорода (OER) остаётся низкой, что снижает общую эффективность электролиза. Предыдущие исследования показали, что легирование бором может улучшить характеристики TMP в обеих реакциях, но синтез таких материалов представлял собой сложную задачу.
Недавно исследовательская группа под руководством профессора Сынхёна Ли и при участии Дун Чан Ча из кампуса ERICA Университета Ханьяна (Южная Корея) разработала новый настраиваемый электрокатализатор на основе бор-допированных нанослоёв кобальтфосфида (CoP). По словам профессора Ли, «нам удалось создать наноматериалы на основе кобальтфосфида, регулируя содержание бора и фосфора с использованием металлоорганических каркасов (MOF). Эти материалы отличаются более высокой производительностью и меньшей стоимостью по сравнению с традиционными катализаторами, что делает их пригодными для масштабного производства водорода». Результаты были опубликованы в журнале Small 19 марта 2025 года.
Для создания материалов была применена инновационная методика с использованием Co-содержащих металлоорганических каркасов. «MOF являются отличной платформой для проектирования и синтеза наноматериалов с заданным составом и структурой», отмечает Дун Чан Ча. На первом этапе на никелевой пене выращивали Co-MOF. Затем материал подвергался модификации с использованием боргидрида натрия (NaBH₄), что обеспечивало внедрение бора. Далее проводилась фосфоризация с применением различных количеств гипофосфита натрия (NaH2PO2), в результате чего были получены три типа бор-допированных CoP-нанослоёв (B-CoP@NC/NF).
Эксперименты показали, что все три образца обладают высокой удельной площадью поверхности и мезопористой структурой — ключевыми параметрами для улучшения электрокаталитической активности. Все варианты продемонстрировали высокую эффективность в HER и OER, при этом лучший результат показал образец, синтезированный с использованием 0,5 г NaH2PO2 (B-CoP0.5@NC/NF). Этот образец имел перенапряжения в 248 мВ (OER) и 95 мВ (HER), что значительно ниже по сравнению с ранее зарегистрированными катализаторами.
Созданный щелочной электролизёр с электродами B-CoP0.5@NC/NF обеспечивал напряжение ячейки всего 1,59 В при плотности тока 10 мА/см2, что ниже по сравнению со многими аналогичными устройствами. При токах свыше 50 мА/см2 он превосходил даже передовые системы на основе RuO2/NF(+) и 20% Pt-C/NF(−), демонстрируя также высокую стабильность — более 100 часов непрерывной работы.
Расчёты по методу функционала плотности (DFT) подтвердили экспериментальные данные и прояснили роль легирования бором и регулирования содержания фосфора. Установлено, что такое сочетание обеспечивает эффективное взаимодействие с промежуточными продуктами реакции, что и обусловливает высокую катализаторную активность.
«Наши результаты служат основой для проектирования и синтеза катализаторов нового поколения с высокой эффективностью, способных значительно удешевить производство водорода», — отмечает профессор Ли. — «Это важный шаг на пути к масштабному производству экологически чистого водорода, способствующему снижению глобальных выбросов углерода и борьбе с изменением климата».