Ученые научились контролировать вредный синглетный кислород для улучшения аккумуляторов

Теория Маркуса объясняет кинетику окисления супероксида до ³O₂ и ¹O₂. Автор: Сумиадип Мондал и др.

Исследователи из группы Фройнбергера в Институте науки и технологий Австрии (ISTA) раскрыли ключевые механизмы редокс-химии кислорода и реактивных форм кислорода (ROS). Хотя некоторые ROS играют важную роль в клеточной сигнализации, особенно вредный синглетный кислород повреждает клетки и разрушает аккумуляторы.

Впервые команда обнаружила способ управления им. Результаты, опубликованные в журнале Nature, могут найти широкое применение, в том числе в процессах накопления энергии.

Обычно молекулярный кислород — это относительно нереактивный дикислород, которым мы дышим (O₂), известный химикам как «триплетный кислород». Однако он также может существовать в виде высокореактивного «синглетного кислорода» — гораздо более мощной и вредной ROS, чем супероксид. Помимо повреждения клеток, этот «плохой» кислород также является основной причиной деградации в искусственных кислородных редокс-системах, таких как батареи.

Профессор Стефан Фройнбергер из ISTA подчеркивает фундаментальную проблему: «Хотя супероксид может порождать как синглетный, так и триплетный кислород, мы до сих пор не знали, что именно вызывает образование «плохого» синглетного кислорода и как им можно управлять».

Ответ найден в pH

Команда под руководством Фройнбергера и недавнего выпускника ISTA Сумиадипа Мондала исследовала основы возникновения конкретных ROS из других членов семейства ROS. Ученые продемонстрировали принцип «диспропорционирования супероксида» в лабораторных условиях.

«Но вопрос оставался: какая форма кислорода выделяется — «хороший» триплетный или «плохой» синглетный — и при каких условиях?»

Согласно команде, ответ может заключаться в pH внутри митохондрий. При высоком (щелочном) pH движущая сила реакции низкая, и производится больше хорошего триплетного кислорода. Однако если среда смещается в кислую сторону, движущая сила реакции увеличивается, уровень хорошего кислорода быстро падает, а плохой синглетный кислород быстро берет верх.

Вдохновение биологией для аккумуляторов

«Биологические системы знают, как защищаться от синглетного кислорода. Занимаемся ли мы фундаментальной химией или разрабатываем аккумуляторы, мы должны черпать вдохновение в биологии, чтобы сохранять движущую силу реакции низкой», — говорит Мондал.

Команда может сделать это, используя правильную комбинацию катионов и электролитов в растворе реакции или разрабатывая лучшие системы защиты, такие как материалы, которые могут сопротивляться или гасить синглетный кислород.

Перспективы для зеленой энергетики

Хотя группа Фройнбергера специализируется на материаловой электрохимии и сосредоточена на применении в устройствах накопления энергии, их настоящие открытия затрагивают самые основы редокс-химии. Помимо развития технологий перезаряжаемых батарей, результаты могут помочь оптимизировать расщепление воды — технику, используемую для производства зеленого водородного топлива.

«Как образование синглетного кислорода влияет на эффективность расщепления воды и потенциально разрушает углеродный носитель электролизера, еще предстоит исследовать», — говорит Фройнбергер. — «С нашими текущими знаниями мы скоро сможем обуздать плохой кислород в различных приложениях».

Больше информации: Soumyadip Mondal et al, Marcus kinetics control singlet and triplet oxygen evolving from superoxide, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09587-7