Ученые разработали гибридный электролизер для одновременного производства водорода и органических соединений

С помощью методов in situ на синхротронных источниках можно анализировать сложные реакции органического окисления на катализаторах в реальном времени. Автор: Дебабрата Багчи / HZB

Гибридные электролизеры — это недавно разработанные устройства, которые производят водород или другие продукты восстановления на катоде, в то время как ценные продукты органического окисления образуются на аноде. Этот инновационный подход значительно повышает рентабельность производства водорода.

Еще одно преимущество заключается в том, что реакции органического окисления для получения ценных соединений являются достаточно экологически чистыми по сравнению с традиционными процессами синтеза, которые часто требуют агрессивных реагентов. Однако реакции органического окисления очень сложны, включают множественные состояния окисления катализатора, фазовые переходы, промежуточные продукты, образование и разрыв связей, а также изменяющуюся селективность продукта. Исследования в области OOR все еще находятся в зачаточном состоянии.

Обзор современного состояния

В журнале Nature Reviews Chemistry команда экспертов под руководством доктора Прашанта Менезеса (HZB) и профессора Маттиаса Дрисса (Технический университет Берлина) представляет всесторонний обзор этой захватывающей области исследований. Они объясняют передовые методы и методики, доступные на синхротронных источниках, таких как BESSY II, где сложные реакции можно анализировать в реальном времени и in situ.

Обзор охватывает различные каталитические реакции, включая оксигенацию спиртов и альдегидов, дегидрирование аминов, разложение мочевины и реакции связывания. Авторы представляют наиболее полезные методы для получения информации о сложных механизмах реакций, такие как рентгеновская абсорбционная спектроскопия, рамановская и инфракрасная спектроскопия, а также дифференциальная электрохимическая масс-спектрометрия.

Схематическая иллюстрация гибридного электролизера, который сочетает производство водорода на катоде с производством ценных органических соединений на аноде посредством реакций органического окисления. Автор: Дебабрата Багчи / HZB

Ключевые слова: Научный хайлайт 31.10.2025 С помощью методов in situ на синхротронных источниках сложные реакции органического окисления на катализаторах можно анализировать в реальном времени. Дебабрата Багчи / HZB Схематическая иллюстрация гибридного электролизера, который сочетает производство водорода на катоде с производством ценных органических соединений на аноде посредством реакций органического окисления. Дебабрата Багчи / HZB Методы in situ и operando позволяют отслеживать поведение катализатора в реальном времени в рабочих условиях. Методы in situ также позволяют наблюдать адсорбцию и интеркаляцию промежуточных продуктов в решетки катализатора, а также образование и разрыв связей на поверхности катализатора. Кроме того, селективность продукта также может быть отображена в условиях operando. Активные металлы, используемые в OOR, включают Ni, Co, Cu, Mn, Ru, Pt, Pd и Au. Автор: Дебабрата Багчи / HZB

Методы in situ выявляют структурные изменения в катализаторе, в то время как методы operando отслеживают как структуру, так и активность в реальных рабочих условиях. Эти методы могут быть использованы для исследования всех видов каталитических или химических реакционных систем для получения информации о поведении катализаторов и реакций в рабочих условиях. Обзор также содержит главу о методах машинного обучения для оценки больших наборов данных.

«Этот обзор направлен на повышение осведомленности об этой захватывающей области исследований и поощрение ученых к комбинированию различных методов анализа. Это будет способствовать пониманию гетерогенных каталитических реакций и ускорит разработку эффективных гибридных электрокатализаторов как устойчивой технологии зеленой химии», — говорит Менезес.

Исследования в области «зеленого» водорода активно развиваются по всему миру. В 2024 году Европейский союз утвердил амбициозную водородную стратегию, направленную на установку 40 ГВт электролизеров к 2030 году. Технологии, подобные описанной в исследовании, могут сделать производство водорода не только экологически чистым, но и экономически выгодным за счет одновременного получения ценных химических продуктов.

Больше информации: Basundhara Dasgupta et al, Dynamics in electrochemical organic oxidation reactions from in situ and operando techniques, Nature Reviews Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41570-025-00767-7

Источник: Объединение имени Гельмгольца немецких исследовательских центров