Международный коллектив ученых, включающий исследователей из Южного федерального университета (ЮФУ), представил новый, более экономичный и эффективный материал, способный превращать воду в водородное топливо. Открытие, обещающее значительный прогресс в области альтернативной энергетики, опубликовано в престижном научном журнале Nature Communications.
Водород признан одним из наиболее перспективных и экологически чистых энергоносителей. Его получают путем электрохимического расщепления молекул воды на водород и кислород под воздействием электрического тока. Для ускорения этой реакции требуются специальные вещества — катализаторы.
Как пояснил доцент Михаил Солдатов из Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ, в настоящее время для реакции выделения кислорода в качестве катализатора традиционно используются соединения, содержащие иридий (Ir). Однако иридий — это рассеянный в земной коре элемент, добыча которого является энергозатратным и дорогостоящим процессом.
Ученые ЮФУ совместно с коллегами из Китайской Народной Республики предложили заменить иридий рутением (Ru). Рутений значительно более распространен в земной коре (в 5–10 раз) и уже широко применяется в таких сферах, как медицина, электроника и химическая промышленность. Для точной настройки свойств нового катализатора в его состав было введено небольшое количество других элементов.
«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», — объяснил Михаил Солдатов.
Применение нового материала позволит снизить энергопотребление установок, преобразующих воду в топливо. Это также приведет к уменьшению износа оборудования и снижению нагревания элементов установки, что обеспечит более стабильное протекание реакции получения кислорода.
«Этот катализатор позволяет снизить перенапряжение для реакции выделения кислорода на десятки милливольт, что критично для водородной энергетики, где важен каждый милливольт. Значения перенапряжения 214 мВ — это лучше большинства катализаторов на основе оксида рутения, которые к тому же менее активны и стабильны», — прокомментировал Солдатов.
В ходе дальнейшей работы специалисты вуза с коллегами планируют сосредоточиться на разработке катализаторов для других важных в будущем технологических процессов.
