Водород является одним из наиболее перспективных и экологичных энергоносителей. Его получают путем разложения воды на молекулы водорода и кислорода под действием электроэнергии. Чтобы ускорить этот процесс необходимы специальные вещества-помощники — катализаторы.
В настоящее время для реакции выделения кислорода в качестве катализатора используют вещества на основе иридия (Ir) – рассеянный в земной коре элемент, добыча которого является энергозатратным и дорогостоящим процессом, рассказал к.ф.-м.н, доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ Михаил Солдатов.
Ученые ЮФУ с коллегами из КНР предложили использовать вместо иридия рутений – элемент, который распространен в земной коре в 5–10 раз больше и широко используется в медицине, электронике и химической промышленности. Для «тонкой настройки» свойств нового катализатора в его состав введено малое 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; 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.
Новый материал позволит снизить энергопотребление установок, перерабатывающих воду в топливо, а также снизить износ оборудования и уменьшить нагревание элементов установки для более стабильного протекания реакции получения кислорода, добавил ученый.
«Этот катализатор позволяет снизить перенапряжение для реакции выделения кислорода на десятки милливольт, что критично для водородной энергетики, где важен каждый мВ. Значения перенапряжения 214 мВ — это лучше большинства катализаторов на основе оксида рутения, которые к тому же менее активны и стабильны», — прокомментировал ученый.
В ходе дальнейшей работы специалисты ЮФУ планируют сосредоточиться на разработке катализаторов для других, важных в будущем технологических процессов.
Исследование было поддержано Российским научным фондом (Проект № 24-43-00215) и отвечает задачам Фронтирной лаборатории «Рентгеноспектральной нанометрологии» МИИ ИМ ЮФУ, созданной в рамках стратегического проекта ЮФУ «Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов под управлением искусственного интеллекта» программы «Приоритет 2030» ЮФУ (нацпроект «Молодежь и дети»). Результаты представлены в Nature communications.
