Иллюстративное изображение: капля воды
Международная группа ученых, включающая исследователей из Южного федерального университета (ЮФУ), представила инновационный, более доступный материал для производства водорода из воды. Подробности этого прорывного исследования опубликованы в престижном журнале Nature Communications.
Водород давно признан одним из наиболее перспективных и чистых источников энергии. Его получают путем электролитического расщепления воды на молекулы водорода и кислорода. Для ускорения этой реакции требуются специальные вещества, известные как катализаторы.
В настоящее время катализаторы для реакции выделения кислорода часто содержат иридий (Ir). Однако, как пояснил доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ Михаил Солдатов, иридий является редким элементом земной коры, и его добыча сопряжена с высокими энергетическими и финансовыми затратами.
В ответ на эту проблему исследователи ЮФУ совместно с китайскими коллегами предложили использовать вместо дорогостоящего иридия рутений. Этот элемент в 5–10 раз более распространен в природе и уже широко применяется в медицине, электронике и химической промышленности. Для тонкой настройки свойств нового катализатора и достижения максимальной эффективности в его состав были добавлены небольшие количества других элементов.
«Представьте, что катализатор — это магнит, который должен временно удерживать продукты реакции. Если магнит слишком «сильный», то промежуточные частицы притягиваются слишком крепко, замедляя процесс, тогда как «слабый» магнит не способен удерживать их достаточно долго. Нам удалось найти «золотую середину» путем точной настройки полярности связи рутений-кислород (Ru–O) через добавление редкоземельных металлов. Это позволило оптимизировать силу взаимодействия, обеспечив легкое и стабильное протекание реакции выделения кислорода», — объяснил Михаил Солдатов.
Новый материал обещает значительно снизить энергопотребление установок по переработке воды в топливо. Кроме того, он поможет уменьшить износ оборудования и предотвратить перегрев компонентов, что обеспечит более стабильный и эффективный процесс получения кислорода.
«Этот катализатор позволяет уменьшить перенапряжение для реакции выделения кислорода на десятки милливольт, что имеет решающее значение для водородной энергетики, где каждый милливольт ценен. Значение перенапряжения в 214 мВ превосходит показатели большинства существующих катализаторов на основе оксида рутения, которые, к тому же, демонстрируют меньшую активность и стабильность», — подчеркнул Солдатов.
В рамках последующих этапов работы ученые планируют сосредоточиться на разработке катализаторов для других ключевых технологических процессов будущего.
Дмитрий Верхов