© iStock.com / peter bocklandt
Международный научный коллектив, в состав которого входят исследователи Южного федерального университета (ЮФУ), объявил о разработке инновационного и более доступного катализатора. Этот новый материал предназначен для эффективного получения водорода из воды, что стало значимым прорывом в области чистой энергетики. Результаты исследования были представлены в авторитетном научном журнале Nature Communications.
Водород признан одним из наиболее перспективных и экологически чистых энергоносителей. Его производство осуществляется путем электролитического расщепления воды на молекулы водорода и кислорода. Для ускорения и оптимизации этого процесса крайне необходимы специальные вещества — катализаторы.
Как пояснил доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ Михаил Солдатов, до настоящего времени для катализации реакции выделения кислорода использовались материалы, содержащие иридий (Ir). Иридий — это редкоземельный элемент, добыча которого является весьма энергозатратной и дорогостоящей.
Ученые ЮФУ, совместно с коллегами из Китайской Народной Республики, предложили заменить дорогой иридий рутением. Рутений встречается в земной коре в 5–10 раз чаще и уже широко применяется в таких сферах, как медицина, электроника и химическая промышленность. Для достижения оптимальных свойств нового катализатора в его состав было введено небольшое количество других химических элементов, обеспечивающих его «тонкую настройку».
Михаил Солдатов подробно объяснил принцип действия разработанного катализатора: «Представьте, что катализатор — это магнит, который должен определенное время удерживать продукты реакции. Если `магнит` слишком сильный, промежуточные частицы чрезмерно `прилипают`, замедляя процесс. Если же он `слабый`, то частицы не удерживаются в достаточной степени. Нам удалось найти `золотую середину` благодаря точной настройке полярности связи рутений-кислород путем добавления атомов редкоземельных металлов. Это оптимизировало силу взаимодействия таким образом, чтобы реакция выделения кислорода протекала легко и устойчиво».
Применение нового материала позволит существенно снизить энергопотребление установок, предназначенных для преобразования воды в топливо. Кроме того, ожидается уменьшение износа оборудования и снижение нагрева элементов установки, что обеспечит более стабильное протекание реакции образования кислорода.
«Этот катализатор способен снизить перенапряжение для реакции выделения кислорода на десятки милливольт, что является критически важным показателем для водородной энергетики, где каждый милливольт имеет значение. Достигнутое значение перенапряжения в 214 мВ превосходит большинство катализаторов на основе оксида рутения, которые к тому же демонстрируют меньшую активность и стабильность», — подчеркнул Солдатов.
В рамках дальнейших исследований специалисты ЮФУ и их зарубежные партнеры планируют сосредоточиться на разработке катализаторов для других ключевых технологических процессов будущего.
Данное исследование получило поддержку Российского научного фонда (Проект № 24-43-00215) и осуществляется в соответствии с задачами Фронтирной лаборатории «Рентгеноспектральной нанометрологии» Международного исследовательского института интеллектуальных материалов 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»).
