Международная группа исследователей, включающая ученых из Южного федерального университета (ЮФУ), разработала инновационный и более экономичный катализатор для производства водорода из воды. Подробности этого открытия опубликованы в престижном журнале Nature Communications.
Специалисты ЮФУ подчеркивают, что водород считается одним из наиболее многообещающих и экологически чистых источников энергии. Его производство осуществляется за счет электролитического расщепления воды на водород и кислород, а катализаторы играют ключевую роль в ускорении этой реакции.
Михаил Солдатов, доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ, отметил, что традиционные катализаторы для выделения кислорода обычно содержат иридий (Ir) – редкий и дорогостоящий элемент, чья добыча требует значительных энергетических затрат.
Российские ученые из ЮФУ в сотрудничестве с китайскими коллегами предложили заменить иридий рутением. Рутений в 5-10 раз более распространен в земной коре и активно применяется в различных отраслях, включая медицину, электронику и химическую промышленность. Для оптимизации характеристик нового катализатора в его состав были добавлены небольшие количества других элементов.
Михаил Солдатов объясняет принцип работы катализатора, сравнивая его с магнитом: «Представьте, что катализатор — это магнит, который должен какое-то время удерживать продукты реакции. Если магнит слишком `сильный`, то промежуточные частицы сильно `прилипают` и тормозят процесс, а если `слабый` — не удерживаются их достаточно. Была найдена `золотая середина` с помощью тонкой настройки полярности связи Ru–O, путем подбора добавки атомов редкоземельных металлов, которая оптимизирует силу взаимодействия таким образом, чтобы реакция выделения кислорода проходила легко и устойчиво.»
По словам ученого, этот новый материал обещает существенно снизить энергозатраты при производстве водородного топлива из воды, уменьшить износ оборудования и предотвратить перегрев компонентов установки, что обеспечит более стабильный процесс выделения кислорода.
Солдатов подчеркнул, что новый катализатор снижает перенапряжение в реакции выделения кислорода на десятки милливольт. Это крайне важно для водородной энергетики, где даже минимальные изменения напряжения играют существенную роль. Достигнутое значение перенапряжения в 214 мВ превосходит показатели большинства существующих катализаторов на основе оксида рутения, которые, к тому же, менее активны и стабильны.
В дальнейшем исследователи ЮФУ совместно с партнерами планируют продолжить разработку каталитических систем для других перспективных технологических задач.
Поддержка исследования
Это исследование было осуществлено при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-43-00215) и является частью работы Фронтирной лаборатории «Рентгеноспектральной нанометрологии» МИИ ИМ ЮФУ. Лаборатория создана в рамках стратегического проекта ЮФУ «Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов под управлением искусственного интеллекта» программы «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
