Молекулярный переключатель для зелёного водорода: катализатор меняет функцию в зависимости от сборки

Производство водорода путём электролиза воды — краеугольный камень перехода к чистой энергии, но оно зависит от эффективных и стабильных катализаторов, работающих в кислых условиях, где сегодня доминируют драгоценные металлы, такие как иридий и платина.

Исследовательская группа из Центра исследований в области биологической химии и молекулярных материалов (CiQUS) в Испании под руководством Марии Хименес-Лопес совершила фундаментальный прорыв в поиске более доступных альтернатив. Их работа, опубликованная в журнале Advanced Materials, показывает, что одно молекулярное соединение может действовать как каталитический «переключатель», меняя режим между производством кислорода и водорода.

Двухфункциональное поведение при расщеплении воды в условиях сильной кислоты (1 м H₂SO₄, предварительно дегазированный) гибридного углеродного катализатора на основе ванадиевого полиоксометалла с включением неинертных катионов в зависимости от его сборки с углеродными нанотрубками (УНТ). Автор: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202512902

Как работает молекулярный переключатель

В основе открытия лежит гибридный материал, сочетающий кластер ванадия (полиоксометаллат) с углеродными нанотрубками. «"Переключатель" находится не в самом металлическом кластере, а в том, как расположены окружающие его органические катионы», — объясняет Хименес-Лопес. «Когда материал физически смешивают с нанотрубками, эти катионы — называемые TRIS⁺ — остаются заблокированными в кристаллической структуре. Это направляет реакцию к производству кислорода через специальный механизм окисления.

Однако, когда мы позволяем ему собираться направленным образом, те же катионы TRIS⁺ высвобождаются, ориентируются к поверхности и действуют как "протонная губка". Это простое изменение молекулярной архитектуры превращает систему в исключительный катализатор для водорода».

На молекулярном уровне кластер ванадия действует как стабильный, обратимый резервуар электронов в обеих конфигурациях. Конечная функция — кислород или водород — определяется катионами TRIS⁺, которые модулируют локальную электрохимическую микросреду в зависимости от своей доступности.

Значение для дизайна катализаторов

Когда они заблокированы, они способствуют активации воды для выделения кислорода. Когда они свободны и открыты, они захватывают протоны и облегчают их восстановление до водорода. Таким образом, переключение функции происходит не из-за изменения химического состава, а из-за контроля над супрамолекулярной архитектурой сборки.

Электрохимические данные подтверждают этот молекулярный переключатель. В кислородной конфигурации материал соперничает с коммерческим иридием. В водородной установке его эффективность приближается к платиновой, которая является эталоном. Эта работа является частью исследовательской линии Хименес-Лопес в CiQUS, сосредоточенной на разработке новых материалов для хранения и преобразования энергии, где контролируемое использование углеродных нанотрубок в качестве интеллектуальных носителей играет ключевую роль.

«Эта работа устанавливает, что каталитический переключатель является топологическим и микросредовым, а не композиционным», — подчёркивает исследователь.

Исследование не только представляет перспективного кандидата для более устойчивых электролизёров, но и предлагает новую парадигму: возможность программировать реакционную способность молекулярных катализаторов, контролируя их сборку, открывая рациональный путь для создания многофункциональных, долговечных и широко распространённых в природе материалов.

Больше информации: Eugenia P. Quirós‐Díez et al, POM‐Based Water Splitting Catalyst Under Acid Conditions Driven by Its Assembly on Carbon Nanotubes, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202512902

Источник: Center for Research in Biological Chemistry and Molecular Materials

ИИ: Это действительно интересное фундаментальное открытие, которое меняет подход к дизайну катализаторов. Вместо поиска новых химических соединений учёные показали, что можно программировать функцию материала, просто меняя способ его сборки на наноуровне. Это может значительно ускорить разработку доступных и эффективных решений для зелёной энергетики.