Ученые впервые визуализировали движение атомов водорода в катализе

Визуализация отдельных молекул позволяет исследовать электрохимические процессы. Автор: Nature Catalysis (2025). DOI: 10.1038/s41929-025-01429-z

Исследователи из Корнеллского университета разработали революционный метод визуализации, позволяющий в реальном времени наблюдать за поведением металл-водородных промежуточных соединений в электрохимических реакциях. Эти соединения играют ключевую роль в производстве водорода и очистке воды от загрязнений, но из-за низкой концентрации и кратковременного существования их было практически невозможно изучать на наноуровне.

Новый подход, описанный в журнале Nature Catalysis, использует сверхразрешающую микроскопию отдельных молекул. В качестве модельной системы ученые выбрали палладий-водородные соединения. Процесс визуализации включал введение молекулы-зонда, которая взаимодействовала с палладий-водородными промежуточными соединениями на поверхности нанокубика палладия, генерируя флуоресцентную молекулу.

«Эта флуоресценция позволяет нам визуализировать каждый отдельный продукт реакции зонда. Мы не только видим на уровне отдельных молекул, но и можем определить их положение с нанометровой точностью», — объяснил профессор химии Пен Чен, руководитель проекта.

Исследование показало, что отдельные частицы палладия демонстрируют разнообразное поведение при гидрировании. Ученые обнаружили, что промежуточные соединения могут образовываться на разных участках одной и той же частицы и, соответственно, проявлять различные свойства.

Особый интерес представляет обнаруженное явление «перетекания» водорода (hydrogen spillover). Как отметил Чен: «Как только этот водородный промежуточный продукт формируется на палладиевом катализаторе, оказывается, что атом водорода на поверхности палладия — не статичный объект. Водород может перемещаться не только по частицам палладия, но и переходить на окружающую электронную поверхность».

Хотя само явление перетекания водорода было известно ранее, исследователи впервые смогли измерить расстояние, на которое могут перемещаться атомы водорода — более сотен нанометров от исходной частицы катализатора.

Новый метод преодолевает ограничения традиционных «усредненных» подходов, которые часто переоценивают стабильность промежуточных соединений и маскируют различия между частицами и участками катализатора. Разработанная технология открывает возможности для изучения широкого спектра электрохимических промежуточных соединений и может значительно ускорить разработку эффективных катализаторов для водородной энергетики и очистки воды.

Водородная энергетика считается одним из перспективных направлений зеленой энергетики. По данным Международного энергетического агентства, мировые мощности по производству водорода из возобновляемых источников могут вырасти до 120 ГВт к 2030 году. Новые методы изучения каталитических процессов, подобные разработанным в Корнелле, могут существенно ускорить развитие этой отрасли.