Открытие эффективного производства водорода для чистой энергии

Постоянный рост населения и экономики мира привел к значительному увеличению спроса на энергию, около 80% которой встречается ископаемым топливом. Эти ресурсы не только стремительно истощаются, но и приводят к значительному росту парниковые газы (ПГ) в окружающей среде.

В результате в настоящее время все больше внимания уделяется возобновляемым источникам энергии. например, солнце, ветер, вода, органические вещества и Земля тепло.

Возобновляемые источники энергии, получаемые из природных ресурсов, которые способны самовосстанавливаться, играют важную роль в создании экологически чистых и устойчивых энергетических систем. Однако они сталкиваются с многочисленными проблемами, включая нерегулярную доступность, высокие первоначальные затраты, географические ограничения и потребность в больших площадях. 

Эти вот тут на сцену выходит водород. Мировой спрос на водород вырос до 97 миллионов тонн (Мт) в 2023 году, что на 2.5% больше, чем в предыдущем году. 

Роль водорода в переходе к чистой энергетике

Самый легкий элемент во Вселенной, водород, стал многообещающим решением для создания более устойчивой энергетической экосистемы благодаря своей гибкости и способности хранить значительное количество энергии относительно своего веса.

Это не первичный источник, как солнце, а вторичный, поскольку он Чёрный be произведенный из другого сырья, такого как вода, природный газ или биомасса.

При производстве водорода с использованием ископаемого топлива, например природного газа (что в настоящее время является наиболее распространенным методом), он не является чистой энергией, поскольку на его производство приходится значительный ежегодный объем выбросов CO2.

Однако при использовании в топливном элементе водород в качестве побочного продукта производит только водяной пар, что делает его чистым топливом.

Будучи универсальным энергоносителем, водород может помочь решить ряд критически важных энергетических проблем. Он может способствовать интеграции возобновляемых источников энергии в энергосистему, сохраняя энергию в течение недель и даже месяцев.

Водород с низким уровнем выбросов, произведенный с использованием ядерной или возобновляемой энергии, или ископаемого топлива с использованием улавливания углерода, между тем, может помочь декарбонизация ряд секторов. Тяжелая промышленность и дальний транспорт, где сокращение выбросов особенно проблематично, могут значительно извлекать из этого пользу. Однако это производство водорода все еще играет второстепенную роль, под 1% в 2023.

Водород на самом деле может быть производным из разных технологий. Один из самых эффективных методов производства Экологичный водород получают путём электролиза воды. В этом энергоёмком электролизе электричество используется расщеплять воду на водород и кислород. Технология хорошо развитая и коммерчески доступный, хоть его расчетная энергоэффективность составляет около 52%.

Другой подход – плазмолиз, который имеет показали выход энергии наравне с электролиз, с добавлением преимущество сниженного энергопотребления, более низких основных затрат и меньших габаритов оборудования. Последние достижения в области микрофлюидики и микроплазмы сделали производство водорода методом плазмолиза водяного пара прибыльным с точки зрения энергоэффективности.

Прочее способы получения Использование водорода для производства электроэнергии включает фотокатализ, биоводород и термохимические процессы.

Проведите пальцем, чтобы прокрутить →

Хотя водородная технология является многообещающей, ее широкое распространение используют все еще лица затруднения с точки зрения производства стоят, эффективность и общая экологическая устойчивость. Однако, учитывая потребность в более чистых источниках энергии, исследователи во всем мире постоянно ищу решение эти проблемы с новыми материалами и лучшая технология.

Инновации в области катализаторов повышают эффективность использования водорода

По мере того, как водородные технологии переходят от концепции к коммерциализации, одной из ключевых проблем становится с Материалы, которые делают эти системы эффективными и масштабируемыми. Чтобы решить эту проблему, учёные работают над различными подходами.

Например, исследование, проведенное в штаб-квартире Китайской академии наук, опубликовала¹ В этом месяце в журнале Nature был представлен крошечный железный катализатор в качестве альтернативы платине в топливных элементах с протонообменной мембраной (PEMFC), обладающий потенциалом преобразовать будущее чистой энергии.

ТЭПМТЭ — это экологически чистые энергетические устройства, которые производят электроэнергию из водорода и кислорода, при этом единственным побочным продуктом является вода. Однако они сильно зависят от дефицитной и дорогой платины в качестве катализатора. Итак, чтобы помочь с Для их широкого распространения исследователи разработали высокоэффективный катализатор на основе железа для этих топливных элементов.

Благодаря продуманной конструкции «внутренняя активация, внешняя защита» новый катализатор может достигать превосходной производительности, одновременно снижая количество вредных побочных продуктов.

Хотя катализаторы Fe/N–C являются одними из наиболее перспективных альтернатив катализаторам на основе металлов платиновой группы, их активность и долговечность не могут соответствовать критериям производительности. Таким образом, Команда разработала и создала новый тип катализатора Fe/N–C сделанный из многочисленных нановыступов, распределенных по двумерным слоям углерода с одиночными атомами железа, встроенными во внутреннюю изогнутую поверхность нановыступов. 

В результате новый катализатор смог продемонстрировать «одну из самых эффективных» характеристик PEMFC без использования металлов платиновой группы, сохранив активность на уровне 86% даже после более чем 300 часов непрерывной работы.

Еще одной ключевой технологией получения водорода климатически нейтральным способом посредством электролиза воды является электролиз воды с использованием протонообменной мембраны (PEM-WE).

Чтобы ускорить желаемую реакцию, электроды покрыты со специальными электрокатализаторами. В качестве анода обычно используются катализаторы на основе иридия, особенно для реакции кислотного выделения кислорода (РВК).

OER — это этап производства кислорода в процессе расщепления воды, дающий чистую водородную энергию, но он остаётся сложным и неэффективным. Эта реакция наиболее эффективна при использовании катализаторов на основе иридия.

Открытый в 1803 году, иридий в чистом виде в природе не встречается, но коммерчески извлекается как побочный продукт производства платины, палладия, никеля или меди. 

Иридий — плотный, твёрдый металл, устойчивый к воздействию воздуха, воды и кислот. Из-за эти свойства, это is использовал в свечах зажигания, научном оборудовании, катализаторах, проводящих чернилах для электроники и лечении рака.

Металл редко используется в чистом виде из-за трудностей в приготовлении и изготовлении; скорее, Он используется в виде платиновых сплавов.

Однако иридий (Ir) — ценный металл и один из самых редких природных элементов в земной коре. Руды, содержащие иридий найдены в Южной Африке, США (Аляска), Бразилии, России, Мьянме и Австралии.

Его дефицит в сочетании с его высокий спрос со стороны промышленности " У аборигенов электроника, делает его очень дорогим. Иридий на самом деле дороже золота: его стоимость составляет почти 5,000 долларов за унцию.

So, имеет смысл, что Ученые постоянно находясь в поиске новые металлы для замены иридия, чтобы помочь с широкомасштабное внедрение PEMWE. Однако поиск не-Ir-альтернатив не является простым и остается медленным из-за обширного пространства для проектирования.

Несколько месяцев назад, исследовании² из Института передовых исследований материалов (AIMR) при Университете Тохоку подробно описали новый пористый кристаллический катализатор как эффективное и долговечное решение для производства чистого водорода путем электролиза воды. 

Материал в данном исследовании представляет собой мезопористый монокристаллический Co3O4, легированный атомарно-дисперсным иридием для кислотного OER.

Мезопористая структура шпинели играет ключевую роль, поскольку она позволяет вмещать большое количество Ir (13.8 мас.%) без образования крупных кластеров иридия. Помимо обеспечения пространства для вмещения Ir, такая архитектура также способствует созданию стабильной среды.

Катализатор сохранял свою эффективность более 100 часов при перенапряжении всего 248 мВ (η₁₀).

В другом недавнем исследовании ученые создали «мегабиблиотеку» для изучения каталитической активности миллионов различных наноструктур, состоящих из нескольких ключевых металлов, что поможет в поиске альтернатив Ir-катализаторам для OER в больших масштабах и с высокой скоростью.

Нажмите здесь, чтобы узнать, как неблагородные катализаторы прокладывают путь к доступному водороду.

Быстрое открытие катализаторов с помощью нанотехнологий

Территория последнее исследование³ фактически нашел новый катализатор для производства водородного топлива, который является как экономически, так и энергетически эффективным.

Опубликованное в этом месяце в Журнале Американского химического общества (JACS), открытие катализатора было сделано с использованием новой мегабиблиотеки наночастиц, и он соответствует или превосходит эффективность Iridium в производство водородного топлива, за небольшую часть стоимости.

Долгое время сейчас, исследователи были находясь в поиске альтернативы Иридию. Созданием цифровых двойников возможности почему приняли десятилетиями было обнаружено всего за один день с помощью нового мощного инструмента, разработанного учеными из Северо-Западного университета.

Этот недавно изобретенный инструмент называется мегабиблиотекой и представляет собой первую в мире «фабрику данных» на основе наноматериалов. Каждая из этих библиотек содержит миллионы отдельных наночастиц на одном крошечном чипе.

Затем эта технология была использована в сотрудничестве с исследователями из Исследовательского института Toyota (TRI) для поиска коммерчески значимых катализаторов для производства водорода. Материал впоследствии был масштабирован up, и продемонстрировано его функционирование внутри устройства. Все это было сделано в рекордные сроки.

Чтобы открыть новые катализаторы, исследователи использовал четыре недорогих, распространенные металлы, которые являются ВСЕ известны своей каталитической активностью. Эти металлы:

1. Кобальт (CO)
2. Хром (ХР)
3. Марганец (МН)
4. Рутений (ру)

Мегабиблиотека затем был использован быстро перебрать огромное количество комбинаций этих металлов, чтобы найти новый материал, характеристики которого могут сравниться с характеристиками иридия.

Исследователи нашли новый материал, который по лабораторным показателям сопоставим с коммерческими материалами на основе иридия. В некоторых случаях он даже превосходит их по производительности, при этом стоит в разы дешевле.

Это открытие может потенциально сделать зеленый водород доступным.

Более того, новый материал демонстрирует эффективность подхода мегабиблиотеки, который может изменить способ, которым исследователи находят новые материалы для различных целей. приложений.

По словам старшего автора исследования Чада А. Миркина, который является основным изобретателем платформы мегабиблиотек и тем, кто фактически представил мегабиблиотеки около десяти лет назад, в 2016 году:

«Мы создали, пожалуй, самый мощный в мире инструмент синтеза, который позволяет производить поиск среди огромного количества комбинаций, доступных химикам и материаловедам, в поисках материалов, которые имеют значение».

В проекте мегабиблиотеки команда «направила эти возможности на решение крупной проблемы, стоящей перед энергетическим сектором». Проблема, как отметил пионер нанотехнологий Миркин, заключалась в следующем:

«Как найти материал, который не уступает иридию по качеству, но при этом более распространен, более доступен и гораздо дешевле? Этот новый инструмент позволил нам быстро найти перспективную альтернативу».

Миркин — профессор химии в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета, а также профессор химической и биологической инженерии, биомедицинской инженерии, материаловедения и инженерии в Инженерной школе Маккормика. 

Зеленый водород является критической потребностью мира, но он сдерживается его функционирование зависит от одного из самых редких материалов.

«В мире недостаточно иридия, чтобы удовлетворить все наши прогнозируемые потребности».

– Тед Сарджент, профессор химии в Университете Вайнберга и профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Маккормика

Сарджент и Миркин работали над проектом вместе.

«Когда мы думаем о расщеплении воды для получения альтернативных форм энергии, становится ясно, что иридия недостаточно с точки зрения поставок».

– Сарджент

Открытие новых кандидатов на замену этому металлу создало идеальное применение для нового инструмента, способного кардинально изменить медленный и сложный традиционный процесс поиска материалов. В отличие от традиционного метода проб и ошибок, новые мегабиблиотеки позволяют быстро находить оптимальные составы.

Каждая мегабиблиотека создана с помощью группы из сотен тысяч крошечных пирамидальных наконечников, которые печатают отдельные «точки» на поверхности. Каждая точка представляет собой тщательно подобранную смесь солей металлов, которые при нагревании восстанавливаются до отдельных уникальных наночастиц, каждая из которых имеет точный размер и состав.

По словам Миркина:

«Каждый наконечник можно представить себе как маленького человека в маленькой лаборатории. Вместо того, чтобы иметь один крошечный человека сделай один структура за раз, у вас есть миллионы людей. Таким образом, по сути, на одном чипе размещена целая армия исследователей».

Всего в чипе было 156 миллионов частиц, каждая из которых состояла из различных комбинаций Co, Cr, Mn и Ru. Затем робот-сканер проанализировал всего насколько хорошо они могут выполнить реакцию выделения кислорода (РВК). 

Эта возможность проверять частицы на предмет их наилучших характеристик является важным нововведением.

«Впервые мы смогли не только быстро провести скрининг катализаторов, но и увидеть, как лучшие из них показали себя хорошо в масштабных условиях».

– Соавтор исследования Джозеф Монтойя, старший научный сотрудник TRI

На основе оценки исследователи выбрали 40 наиболее эффективных кандидатов, от низкой до высокой активности, для дальнейшего тестирования в лабораторных условиях. Оксиды RuCoMnCr были масштабированы до уровня миллиграммов, прежде чем изучать их каталитическую активность.

Одна композиция выделялась в конце концов. Это точное сочетание всех четырех металлов представляло собой оксид Ru52Co33Mn9Cr6.

Таким образом, команда смогла получить мультиметаллический катализатор, который на самом деле известно, что он более активен, чем его аналоги на основе одного металла.

«Наш катализатор на самом деле немного более активен, чем иридий, и обладает превосходной стабильностью», — сказал Миркин. «Это редкость, поскольку рутений зачастую менее стабилен. Но другие элементы в составе стабилизируют рутений».

Катализатор генерировал напряжение 1.58 В при 1 А/см2 и 1.77 В при 3 А/см2.

Что касается долгосрочной производительности, этот новый катализатор проработал более 1,000 часов с высокой эффективностью и исключительной стабильностью в агрессивной кислотной среде, при этом его стоимость о одна шестнадцатая часть Иридий.

«Предстоит проделать большую работу, чтобы сделать это коммерчески жизнеспособным, но очень воодушевляет то, что мы можем так быстро находить перспективные катализаторы — не только в лабораторных масштабах, но и для устройств».

– Монтойя

В процессе поиска нового катализатора команда создала огромные высококачественные наборы данных о материалах, которые могут проложить путь для машинного обучения и искусственного интеллекта для проектирования нового поколения материалов.

TRI, Northwestern и его ответвление Mattiq уже разработали алгоритм для поиска в мегабиблиотеках на головокружительной скорости. 

Но это только начало. Как и в случае с искусственным интеллектом, подход с использованием мегабиблиотек может масштабироваться не только для ускоренного поиска катализаторов для преобразования энергии, но и для поиска материалов практически для любой технологии, например, для создания передовых оптических компонентов, биомедицинских устройств, аккумуляторов и многого другого.

«Мы будем искать всевозможные материалы для аккумуляторов, термоядерного синтеза и многого другого», — сказал Миркин. «Мир не использует лучшие материалы для своих нужд. Люди нашли лучшие материалы в определённый момент времени, учитывая доступные им инструменты. Проблема в том, что теперь у нас есть огромная инфраструктура, построенная вокруг этих материалов, и мы застряли на них. Мы хотим это изменить. Пришло время действительно найти лучшие материалы для любых нужд — без компромиссов».

Инвестиции в энергию водорода

Bloom Energy Corp. (BE + 3.93%) занимается стационарной генерацией электроэнергии на топливных элементах. It приводит две продукты на коммерческой основе: Bloom Electrolyzer для производства водорода и Bloom Energy Server для производства электроэнергии.

Компания производит водород с помощью крупнейшего электролизера. в мире, который установлен в исследовательском центре Эймса НАСА, генерируя около На 25% больше водорода на мегаватт, чем у коммерческих электролизеров " У аборигенов ПЭМ или щелочной.

На сегодняшний день Bloom Energy развернула 1.5 ГВт низкоуглеродной энергии на более чем 1,200 установках по всему миру.

При рыночной капитализации в 12.38 млрд долларов акции BE торгуются по цене 53.15 доллара, что на 138.36% больше с начала года. Недавно акции компании превысили отметку в 55 долларов, достигнув новых максимумов благодаря возросшему интересу со стороны гиперскейлеров и операторов данных. центры. Также, назад В июле компания заключила важнейшую сделку с Oracle и намекнула на больше подобных сделок в будущем.

EPS (TTM) составляет 0.11, а P/E (TTM) — 495.23.

Что касается финансов, яКомпания сообщила о росте выручки на 19.5% в годовом исчислении до 401.2 млн долларов США за второй квартал, закончившийся 30 июня 2025 года. Валовая рентабельность за этот период составила 26.7%, а валовая рентабельность не по GAAP — 28.2%. Операционный убыток составил 3.5 млн долларов США, а операционная прибыль не по GAAP — 28.6 млн долларов США.

«Поскольку потребность в локальном электроснабжении становится всё более очевидной, учитывая стремительное развитие искусственного интеллекта, продукты Bloom пользуются ещё большим спросом на рынке. В отличие от альтернатив, наши продукты специально разработаны для цифровой революции».

– Основатель и генеральный директор КР Шридхар

Последняя информация от Bloom Energy Corp. (BE) Новости и события на бирже

Заключение

Самый простой и самый распространенный элемент во Вселенной – водород. обещает путь к Более экологичное будущее. Этот элемент, в конце концов, обладает потенциалом для преодоления нестабильности возобновляемых источников энергии и декарбонизации секторов, в которых сложно снизить выбросы. Но реализация этого потенциала требует инвестиций, инноваций и сотрудничества между отраслями.

Последние достижения в области катализаторов и электролиза могут помочь повысить эффективность производства водорода, тем самым ускоряя переход к устойчивой энергетической экономике.

Ссылки:

1. Чжао, И., Ван, Дж., Лин, К. и др. Восстановление кислотного кислорода одноатомными железными катализаторами на изогнутых носителях. Природа, 644, 668–675, опубликовано 13 августа 2025 г. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6
2.  Ван, И., Цинь, И., Лю, С., Чжао, И., Лю, Л., Чжан, Д., Чжао, С., Лю, Дж., Ван, И., Лю, И., У, Х., Цзя, Б., Цюй, С., Ли, Х., Цинь, М. Мезопористые монокристаллические частицы как надёжные и эффективные катализаторы кислотного выделения кислорода. Журнал Американского химического общества, 147(16), 13345–13355, опубликовано 8 апреля 2025 г. https://doi.org/10.1021/jacs.4c18390
3. Хуан, Дж., Ван, З., Лян, Дж., Ли, XY., Пьетрига, Дж., Йе, З., Смит, П.Т., Кулаксизоглу, А., Маккормик, Ч.Р., Ким, Дж., Пэн, Б., Лю, З., Се, К., Торриси, С.Б., Монтойя, Дж.Х., Ву, Г., Сарджент, Э.Х., Миркин, Калифорния Ускорение темпов открытия катализаторов реакции выделения кислорода с помощью мегабиблиотек. Журнал Американского химического общества, 147(34), опубликовано 19 августа 2025 г. https://doi.org/10.1021/jacs.5c08326