Ученые раскрыли уникальную способность марганца в производстве кислорода

Японские ученые из Центра устойчивых ресурсов RIKEN обнаружили, почему именно марганец, а не более распространенные элементы вроде железа, служит ключевым катализатором в реакции выделения кислорода — процессе, критически важном для фотосинтеза и жизни на Земле.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Sustainability, показывает, что марганец обладает уникальной способностью сохранять каталитическую активность даже при колебаниях электрического напряжения. Эта устойчивость делает его перспективным материалом для применения в системах возобновляемой энергетики, таких как солнечные и ветровые электростанции, где выходная мощность нестабильна.

Реакция выделения кислорода, в ходе которой из воды высвобождаются протоны, электроны и кислород, лежит в основе фотосинтеза. Марганец действует как основной катализатор в форме кластера, способного существовать в различных степенях окисления. При колебаниях энергии его окислительное состояние меняется, что позволяет реакции протекать многократно.

«Мы показали, что можно разрабатывать материалы, устойчивые к колебаниям напряжения, с потенциалом для создания электролизеров, подключенных непосредственно к возобновляемым источникам энергии», — заявил руководитель исследования Рюхэй Накамура.

Ученые обнаружили, что, хотя катализатор разрушается при слишком высоком напряжении, благодаря включению реакции Гюйара он восстанавливается после снятия избыточного напряжения. В экспериментах при циклическом изменении напряжения между 1,68 и 3,00 вольт катализатор сохранял ток 250 мА/см² при pH 2 более 2000 часов.

Эта способность к регенерации уникальна для марганца — аналогичные элементы (кобальт, железо, никель) в тех же условиях не восстанавливаются. Исследователи полагают, что именно это свойство сделало марганец ключевым катализатором в естественном фотосинтезе.

ИИ: Это исследование открывает интересные перспективы для создания более эффективных систем накопления энергии. В 2025 году, когда мир активно переходит на возобновляемую энергетику, такие устойчивые катализаторы могут стать важным элементом «зеленого» водородного производства.