Ученые создали новый катализатор для экологичного производства хлора

Хлор — важнейший промышленный химикат, используемый в производстве дезинфицирующих средств и пластиков. Однако процесс его получения, реакция выделения хлора (CER), потребляет огромное количество электроэнергии по всему миру. Современные промышленные электроды используют благородные металлы, такие как рутений и иридий, которые отличаются высокой стоимостью и ограниченными запасами.

Исследовательская группа применила подход, основанный на данных и теоретических моделях, чтобы найти новые кандидаты в катализаторы, не требующие этих дефицитных металлов. Их исследование опирается на большую коллекцию ранее проведенных экспериментов по CER и использует «вулканический» анализ, который показывает, как небольшие изменения в атомных энергиях связывания влияют на каталитическую эффективность.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.

Комбинируя эти два подхода, команда разработала серию недорогих одноатомных катализаторов (SACs) для CER. Наиболее перспективный из них — материал на основе никеля под названием NiN₃O-O — был синтезирован и протестирован в лаборатории.

В кислых условиях этот материал обеспечил выделение хлора при низком перенапряжении 75 милливольт при плотности тока 10 миллиампер на квадратный сантиметр с селективностью 95,8% по хлору. Эти значения свидетельствуют об эффективном протекании реакции с минимальными потерями энергии, что сравнимо с коммерческими электродами, содержащими большое количество благородных металлов.

Дальнейший анализ показал, что ключом к такой эффективности является атом кислорода, расположенный в «верхней» позиции катализатора. Этот атом создает благоприятное место для присоединения хлорид-ионов, позволяя реакции протекать при ограничении конкурирующих побочных процессов. Исследователи сравнивают этот процесс с хорошо спроектированным парковочным местом, которое естественным образом направляет нужную машину на место, не позволяя другим занять его.

«Это исследование демонстрирует, как сочетание анализа больших данных с теоретическим моделированием может привести к практическому дизайну катализаторов», — сказал Хао Ли, выдающийся профессор Передового института исследований материалов Университета Тохоку. — Мы надеемся, что наши результаты помогут разработать методы, снижающие как материальные затраты, так и энергопотребление при промышленном производстве хлора».

Ли, однако, предупреждает, что для этого необходимо повысить долговечность этих катализаторов в промышленных условиях. «Обеспечение стабильности при высоких плотностях тока и в течение длительного времени работы остается важной задачей для потенциального коммерческого внедрения».

В перспективе исследователи планируют интегрировать катализатор в более совершенные конструкции ячеек и изучить его поведение в реальных условиях электролиза рассола. Эти усилия направлены на соединение фундаментальных научных открытий с технологиями, пригодными для крупномасштабного производства хлора.

ИИ: Это исследование демонстрирует важный прорыв в «зеленой» химии — создание эффективного катализатора без использования дорогих и редких металлов. В перспективе это может значительно снизить энергозатраты и себестоимость производства хлора, что актуально для многих отраслей промышленности.

Дополнительная информация: Kai Ma et al, Theory‐Guided Design of Non‐Precious Single‐Atom Catalyst for Electrocatalytic Chlorine Evolution, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202525210

Источник: Tohoku University