Учёные обнаружили ключевой переходный момент в кинетике катализаторов для производства зелёного водорода

Исследование каталитической активности для производства зелёного водорода. Автор: FHI

Исследователи из Института Фрица Габера Общества Макса Планка представили новые данные о активности катализаторов, используемых в производстве зелёного водорода.

Их исследование, опубликованное в журнале Nature Chemistry, изучает, как кинетика катализаторов связана со сложным взаимодействием между межфазным растворителем и химическими изменениями на поверхности катализатора, что потенциально открывает путь к более эффективным технологиям преобразования энергии.

Отдел науки о поверхностях Института Фрица Габера добился значительных успехов в понимании того, как катализаторы функционируют в водных средах. Это исследование имеет решающее значение для развития таких технологий, как производство зелёного водорода, которое зависит от эффективных катализаторов для расщепления молекул воды.

Исследование под руководством доктора Мартинеса-Хинкапие и доктора Энера в отделе профессора Рольдан Куэнья использует температурно-зависимую электрохимию и операционную спектроскопию для изучения реакции выделения кислорода (OER). Эта реакция является узким местом в электролизе воды, где медленная кинетика OER может препятствовать производству водорода. Исследователи обнаружили ключевой переходный момент в кинетике, зависящей от смещения, где активность катализатора переходит от ограничения накоплением избыточного заряда к высокой активности.

Критическим открытием исследования стала роль межфазной сольватации — процесса, при котором ионы теряют или приобретают молекулы растворителя. Этот начальный этап оказался решающим для внутренней активности катализатора.

Доктор Энер поясняет:

«Нам действительно следует рассматривать межфазную границу катализатор-электролит как единое целое, а не отдельно. Мы не можем понять стабилизацию избыточного заряда на твёрдой стороне без отклика растворителя, и мы не можем понять межфазную сольватацию ионов без тщательного рассмотрения того, что происходит на твёрдой стороне. Это особенно важно, поскольку твёрдая межфазная граница также претерпевает радикальные структурные и химические изменения в ходе реакции. Именно одна межфазная граница порождает наблюдаемую активность».

Влияние избыточного заряда на кинетические карты. Автор: Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01932-7

В более технических терминах исследование показывает, что кинетика катализатора управляется сложным взаимодействием между химической и структурной адаптацией оксидной поверхности и откликом межфазных молекул воды. Используя операционную рентгеновскую спектроскопию, команда наблюдала структурные и химические адаптации оксидных катализаторов как раз при важном переходном потенциале в кинетике.

Важно отметить, что этот переходный потенциал не зависит от загрузки катализатора (количество используемого материала) ни от его площади поверхности. Это указывает на то, что активность катализатора внутренне связана с его способностью накапливать избыточный заряд для взаимодействия с сольватированными ионами из жидкого электролита.

Профессор д-р Беатрис Рольдан Куэнья подчёркивает важность сочетания различных операционных спектромикроскопических методов, которые информируют о поверхности катализатора, растворителе и фундаментальной кинетике. Это необходимо для получения более глубоких знаний о поведении катализатора.

Исследование не только продвигает наше понимание каталитической активности, но и обещает улучшение технологий преобразования энергии. Команда намерена продолжать изучение этих открытий, что может значительно повлиять на области энергетики и технологии химического преобразования.

Дополнительная информация: Ricardo Martínez-Hincapié et al, Interfacial solvation pre-organizes the transition state of the oxygen evolution reaction, Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01932-7

Источник: Max Planck Society