Новый катализатор повышает эффективность производства водородного топлива

Исследователи из Королевского технологического института KTH в Стокгольме сообщили о прорыве, который может значительно увеличить объемы и устойчивость производства водорода – одного из самых перспективных возобновляемых источников энергии. Результаты их работы, опубликованные в журнале Nature Chemistry, открывают путь к более дешевому и эффективному получению чистого топлива.

Водородное топливо получают путем расщепления воды на водород и кислород с помощью электричества. Этот процесс, известный как электролиз, требует значительных энергозатрат и времени. Для его ускорения и снижения необходимого количества энергии широко применяются катализаторы на основе оксидов никеля и железа. Однако сложность этих материалов до недавнего времени мешала ученым понять, как именно происходят ключевые химические реакции на атомном уровне.

Шведская команда под руководством профессора Личен Суна и профессора Мортена Альквиста решила эту проблему, создав специальный молекулярный каркас. Эта уникальная органическая структура удерживает атомы никеля и железа в строго определенных позициях. В отличие от хаотичного расположения атомов в обычных катализаторах, такая точность позволила впервые детально наблюдать за переносом электронов и протонов, лежащим в основе всего процесса.

Благодаря этому наблюдению ученые выяснили, как тесное соседство атомов железа и никеля ускоряет самый сложный этап расщепления воды – образование кислорода. Оказалось, что гидроксильные группы, присоединенные к никелю, действуют как «протонные реле», эффективно передавая протоны и ускоряя их движение. «Это понимание объясняет, почему никель и железо так хорошо работают вместе – и как мы можем сделать их еще лучше», – говорит Сун.

Новый катализатор показал впечатляющие результаты. Он способен производить водород со скоростью, сопоставимой или даже превышающей показатели передовых традиционных аналогов. Более того, материал сохранял высокую производительность даже после длительной работы, что является ключевым фактором для его коммерческого внедрения. По оценкам исследователей, при одинаковом напряжении каталитическая активность возрастает примерно в десять раз.

Увеличение скорости реакции напрямую снижает потери энергии и время работы оборудования, а значит – и себестоимость каждого килограмма водорода. «Наши выводы соединяют практическое применение катализаторов из оксида никеля-железа и детальное молекулярное понимание их работы, – отмечает Альквист. – Это открывает путь к созданию материалов нового поколения, которые будут работать еще лучше и служить дольше, обеспечивая более быстрое и устойчивое производство чистого топлива».