Изображение капли воды
Международная группа исследователей, включая ученых из Южного федерального университета (ЮФУ), объявила о создании нового, более экономичного материала, способного эффективно преобразовывать воду в водородное топливо. Подробности этого открытия опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications.
Водород: перспективное топливо будущего
Ученые ЮФУ подчеркивают, что водород считается одним из наиболее многообещающих и экологически чистых источников энергии. Его производство включает электрохимическое расщепление воды на водород и кислород, процесс, который требует использования катализаторов для повышения скорости реакции.
Проблема с иридием и новое решение
Как отметил Михаил Солдатов, доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ, традиционно для ускорения реакции выделения кислорода применяются катализаторы на основе иридия (Ir). Однако иридий является редким и дорогим элементом, его добыча связана с высокими энергетическими затратами.
В качестве альтернативы иридию, ученые ЮФУ в сотрудничестве с китайскими коллегами предложили применять рутений – элемент, запасы которого в земной коре в 5–10 раз превышают запасы иридия, а также который активно используется в различных отраслях, включая медицину, электронику и химию. Для оптимизации характеристик нового катализатора в его состав были добавлены небольшие количества других элементов.
Доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ Михаил Солдатов
«Золотая середина» в работе катализатора
Солдатов пояснил суть инновации, используя аналогию с магнитом: «Катализатор действует как магнит, временно удерживающий продукты реакции. Чрезмерно сильное притяжение замедляет процесс из-за слишком крепкого «прилипания» промежуточных частиц, в то время как слабое притяжение не позволяет им удерживаться достаточно долго. Нам удалось найти «золотую середину», точно настроив полярность связи рутений-кислород (Ru–O) путём введения атомов редкоземельных металлов. Это оптимизировало силу взаимодействия, обеспечив лёгкое и стабильное протекание реакции выделения кислорода».
Преимущества нового катализатора
Этот усовершенствованный материал позволит значительно уменьшить энергозатраты в системах, предназначенных для преобразования воды в топливо. Кроме того, он способствует снижению износа оборудования и предотвращению перегрева компонентов установки, что обеспечивает более стабильный и эффективный процесс получения кислорода.
«Данный катализатор демонстрирует снижение перенапряжения для реакции выделения кислорода на десятки милливольт, что является критически важным показателем в водородной энергетике, где каждый милливольт имеет значение. Достигнутое значение перенапряжения в 214 мВ превосходит показатели большинства существующих катализаторов на основе оксида рутения, которые, как правило, уступают по активности и стабильности», — отметил Солдатов.
Планы на будущее
В рамках дальнейших исследований научная группа ЮФУ совместно с партнерами планирует продолжить работу над созданием катализаторов для иных ключевых технологических процессов будущего.
Это исследование было профинансировано Российским научным фондом (проект № 24-43-00215) и реализуется в рамках задач 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», являющегося частью программы «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодёжь и дети»).
