Международная группа исследователей, включая ученых из Южного федерального университета (ЮФУ), разработала новый, более экономичный катализатор для эффективного производства водорода из воды. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Иллюстрация: Капля воды
Водород признан одним из самых перспективных и экологически чистых источников энергии. Его производство включает электрохимическое расщепление воды на водород и кислород, процесс, требующий катализаторов для ускорения реакции.
Традиционно для реакции выделения кислорода используются катализаторы на основе иридия (Ir) — редкого и дорогостоящего элемента, чья добыча является энергоемкой. Об этом сообщил Михаил Солдатов, доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ.
В качестве более доступной альтернативы иридию, ученые ЮФУ совместно с китайскими коллегами предложили использовать рутений – элемент, который в 5-10 раз более распространен в земной коре и широко применяется в различных отраслях, включая медицину, электронику и химическую промышленность. Для оптимизации свойств нового катализатора в его состав были введены незначительные количества других элементов.
Солдатов объяснил принцип работы катализатора, сравнив его с магнитом: «Представьте катализатор как магнит, который временно удерживает продукты реакции. Если `сила` притяжения слишком велика, промежуточные частицы `залипают`, замедляя процесс; если слишком мала – частицы не удерживаются. Мы нашли `золотую середину` путем точной настройки полярности связи рутений-кислород с помощью добавок атомов редкоземельных металлов. Это позволило оптимизировать силу взаимодействия, обеспечив легкое и стабильное протекание реакции выделения кислорода.»
Михаил Солдатов, доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ
Использование нового материала обещает снижение энергопотребления в установках по преобразованию воды в топливо, уменьшение износа оборудования и предотвращение перегрева элементов, что способствует более стабильному производству кислорода.
«Этот катализатор снижает перенапряжение для реакции выделения кислорода на десятки милливольт, что крайне важно для водородной энергетики, где каждый милливольт имеет значение. Показатель перенапряжения в 214 мВ превосходит большинство существующих катализаторов на основе оксида рутения, которые, к тому же, менее активны и стабильны», — отметил Солдатов.
В дальнейших планах исследовательского коллектива – разработка катализаторов для других перспективных технологических процессов.
Исследование получило поддержку Российского научного фонда (Проект № 24-43-00215) и соответствует целям 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»).
Scientists Develop Novel Material for Converting Water into Fuel
An international team of researchers, including scientists from Southern Federal University (SFU), has developed a new, more economical catalyst for the efficient production of hydrogen from water. The findings were published in Nature Communications.
Illustration: A drop of water
Hydrogen is recognized as one of the most promising and environmentally friendly energy carriers. Its production involves the electrochemical splitting of water into hydrogen and oxygen, a process that requires catalysts to accelerate the reaction.
Traditionally, catalysts based on iridium (Ir) have been used for the oxygen evolution reaction (OER) – a rare and expensive element whose extraction is energy-intensive. This was stated by Mikhail Soldatov, Associate Professor at the International Research Institute of Intelligent Materials at SFU.
As a more accessible alternative to iridium, SFU scientists, in collaboration with Chinese colleagues, proposed using ruthenium. This element is 5-10 times more abundant in the Earth`s crust and is widely utilized in various industries, including medicine, electronics, and chemical manufacturing. To fine-tune the properties of the new catalyst, small amounts of other elements were incorporated into its composition.
Soldatov explained the catalyst`s mechanism, likening it to a magnet: «Imagine a catalyst as a magnet that temporarily holds reaction products. If the `magnetic` force is too strong, intermediate particles `stick` too firmly, slowing the process; if it`s too weak, they aren`t held sufficiently. We found a `golden mean` by precisely tuning the polarity of the Ru–O bond through the addition of rare-earth metal atoms. This optimized the interaction strength, allowing the oxygen evolution reaction to proceed easily and stably.»
Mikhail Soldatov, Associate Professor at the International Research Institute of Intelligent Materials at SFU
The new material is expected to reduce energy consumption in water-to-fuel conversion systems, decrease equipment wear, and minimize heating of the system`s components, leading to a more stable oxygen production process.
«This catalyst reduces the overpotential for the oxygen evolution reaction by tens of millivolts, which is critical for hydrogen energy where every millivolt matters. An overpotential value of 214 mV is superior to most existing ruthenium oxide-based catalysts, which are also less active and stable,» Soldatov commented.
In their future work, the research team plans to focus on developing catalysts for other important technological processes.
The research was supported by the Russian Science Foundation (Project No. 24-43-00215) and aligns with the objectives of the Frontier Laboratory `X-ray Spectral Nanometrology` at the International Research Institute of Intelligent Materials of SFU, established within SFU`s strategic project `Full-Cycle Technologies for Express Development of Functional Materials under Artificial Intelligence Control` as part of the `Priority-2030` program (national project `Youth and Children`).
