Нанотехнологические чипы могут решить проблему иридия, связанную с водородом

 Электролиз зеленого водорода ограничен зависимостью от редкого катализатора.

Водород, получаемый с использованием возобновляемых источников энергии, является перспективным источником чистого топлива . Одной из наиболее распространенных существующих технологий электролиза — процесса получения газообразного водорода из воды с использованием электричества — является электролиз на протонообменной мембране (ПЭМ). Правительства и организации, такие как Международное агентство по возобновляемым источникам энергии, продвигают инициативы по распространению водорода, но электролиз PEM зависит от редкого и дорогого катализатора иридия, который был узким местом для внедрения этой технологии.

Недавно материаловедческий стартап Mattiq синтезировал сотни возможных заменителей иридия. Метод тестирования этих новых материалов, используемый компанией, значительно быстрее, чем методы традиционных лабораторных экспериментов, и может проложить путь к поиску более доступной замены иридию в электролизерах PEM, что сделает их внедрение более распространенным.

«Если вы подумаете о таблице Менделеева, содержащей более сотни уникальных элементов, вы сможете смешивать их по-разному». —Андрей Иванкин, Mattiq

В настоящее время электролиз PEM основан на использовании иридия в качестве катализатора реакции, в ходе которой из воды образуется кислород, что является ключевой частью электролиза. Иридий хорошо работает в качестве катализатора, потому что он достигает оптимальной реакционной способности — он достаточно активен, чтобы стимулировать реакцию электролиза, но не настолько активен, чтобы быстро разлагаться в кислой среде электролизеров PEM, — говорит Андрей Иванкин, технический директор Mattiq.

Самым большим недостатком иридия является его редкость и сложность получения; ежегодно производится всего 7000 килограммов. Он встречается в платиновых рудах, но его содержание в этих рудах составляет одну десятую от количества платины. Небольшие количества также извлекаются как побочный продукт добычи других металлов. По оценкам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, потребность в водородных электролизерах достигнет 100 гигаватт к 2030 году , но нынешнее годовое производство иридия может обеспечить только до 7,5 ГВт мощности.

Mattiq — стартап из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс, специализирующийся на поиске материалов для устойчивых технологий. Компания решила задачу поиска подходящей замены иридия для электролиза PEM в качестве доказательства концепции своей высокопроизводительной платформы для поиска материалов. В процессе открытия Маттика используются микрочипы, созданные с использованием нанотехнологий , для одновременного тестирования большого количества потенциальных новых материалов; Каждый чип может содержать 10 000 нанореакторов, каждый из которых содержит материалы разного состава. Возможность одновременно тестировать огромное количество материалов является важным аспектом успешного открытия материалов, поскольку при создании нового материала можно попробовать практически неограниченное количество композиций, говорит Иванкин.

«Если вы подумаете о таблице Менделеева, содержащей более сотни уникальных элементов, вы сможете смешивать их по-разному», — говорит Иванкин, особенно принимая во внимание такие переменные, как размер и структура материала.

Маттик подошел к проблеме нехватки иридия, ища материалы, которые удовлетворяли трем критериям: они должны были реагировать так же или лучше, чем иридий, быть такими же или лучше и быть более распространенными. Компания использовала машинное обучение , чтобы предлагать новые композиции, которые затем создавались и помещались на чип вместе с другими новыми композициями материалов. Весь чип прошел тестирование в среде, имитирующей электролизер PEM. К чипу было подано напряжение для создания исходящих токов в каждом материале, чтобы указать на реактивность. После этого результаты были переданы обратно в алгоритм машинного обучения, чтобы начать процесс заново.

Систематически изменяя соотношение и ингредиенты в каждом образце и возвращая результаты в алгоритм машинного обучения, платформа Mattiq смогла перейти к более перспективным составам. Каждый наночип мог содержать 10 000 композиций, и исследователи могли обрабатывать 10 чипов каждый день. Всего за шесть недель платформа смогла протестировать 6 миллионов композиций и предоставить сотни перспективных новых материалов для дальнейших испытаний в качестве замены иридия.

Некоторые из новых материалов включают переходные металлы , которые гораздо более распространены и их легче получить, чем иридий, в то время как другие многообещающие кандидаты все еще содержат иридий, но как часть другой структуры, которая делает весь материал более реакционноспособным, чем чистый иридий.

«Если вы сможете, скажем, увеличить его активность [в 10 раз], так, что вам теперь понадобится в 10 раз меньше иридия», — говорит Иванкин.

В настоящее время компания использует более традиционные методы экспериментов для проверки всех многообещающих новых кандидатов, синтезируя каждый материал в масштабе около грамма и в реальных электролизерах. Mattiq также находится на ранних стадиях партнерства с другими компаниями, заинтересованными в использовании заменителей иридия для коммерческого применения.

Источник