Ученые раскрыли секрет эффективности катализаторов для зеленого водорода
Производство «зеленого» водорода с помощью электролиза воды — один из краеугольных камней будущего чистой энергетики. Однако этот процесс до сих пор сталкивается с существенными препятствиями, и ключевым из них является медленная и энергозатратная реакция выделения кислорода (ОВР).
Именно она является «бутылочным горлышком» всего процесса, сдерживая скорость образования водорода. Новаторское исследование команды из Института Фрица Габера Общества Макса Планка проливает новый свет на глубинные механизмы работы катализаторов, открывая путь к созданию гораздо более эффективных технологий преобразования энергии.
Ученые под руководством докторов Мартинес-Хинкапие и Оэнера из отдела профессора Беатрис Рольдан Куэньи обнаружили, что традиционный взгляд на катализатор и электролит как на отдельные сущности является ошибочным. Их работа демонстрирует, что высокая активность катализатора рождается в сложном и динамичном взаимодействии на границе раздела фаз — там, где твердая поверхность катализатора встречается с жидким электролитом.
Ключевым выводом исследования является роль межфазной сольватации — процесса, в ходе которого ионы теряют или приобретают молекулы растворителя. Этот начальный этап оказался критически важным для запуска всей последующей внутренней активности катализатора.
Используя комбинацию температурно-зависимой электрохимии и операндо-спектроскопии, исследователи смогли в реальном времени наблюдать за структурными и химическими изменениями оксидных катализаторов во время реакции. Они идентифицировали важный переходный потенциал, в точке которого активность катализатора резко возрастает, переходя от режима, ограниченного накоплением заряда, к режиму высокой активности.
Важно, что этот потенциал не зависит от количества или площади поверхности катализатора, что указывает на его фундаментальную связь с самой способностью материала накапливать заряд для взаимодействия с ионами электролита.
Как подчеркивает профессор Рольдан Куэнья, именно сочетание различных методов спектромикроскопии позволило получить целостную картину, объединяющую данные о поверхности катализатора, поведении растворителя и кинетике реакции.
Это исследование не только углубляет фундаментальное понимание электрохимических процессов на границе раздела фаз, но и задает новый вектор для целенаправленного проектирования высокоэффективных катализаторов, которые необходимы для следующего поколения технологий зеленой энергетики и устойчивого химического производства.