Исследование раскрывает смену лимитирующих стадий в катализаторах топливных элементов

Учёные из Института Фрица Габера Общества Макса Планка представили фундаментально новые данные о принципах работы катализаторов для топливных элементов.

Схематическое изображение топливного элемента и изучаемых электрохимических процессов. Автор: FHI

Их исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, как множественные стадии в процессе превращения кислорода (O₂) в воду (H₂O) определяют общую кинетику катализатора и как это связано с изменениями на границе раздела катализатор-раствор. Работа представляет собой значительный шаг вперёд в понимании многостадийных электрохимических реакций.

Катализаторы незаменимы для будущего энергоснабжения. Например, они используются в топливных элементах, которые могут питать тяжёлую технику и транспорт для дальних перевозок. Непрерывное совершенствование катализаторов и глубокое понимание их работы необходимы для того, чтобы эта технология стала более практичной для повседневного использования.

Исследование, проведённое доктором Силвой и Джоди Друс в группе под руководством доктора Йонера в отделе науки о поверхностях раздела под руководством профессора доктора Беатрис Рольдан Куэньи, изучает, как электрически приложенный перенапряжение и давление O₂ изменяют кинетику реакции восстановления кислорода (ORR) на четырёх различных катализаторах в практически значимых для топливных элементов условиях.

Они обнаружили очень сложную кинетику, зависящую от перенапряжения, где активность катализатора ограничена не одной лимитирующей стадией, а различными стадиями на границе раздела катализатор-раствор, которая сама претерпевает изменения в зависимости от перенапряжения.

Технические детали

Доктор Йонер объясняет:

Традиционный взгляд в научном сообществе заключается в том, что многостадийные реакции можно свести к одному лимитирующему интермедиату или, более технически, что степень контроля скорости этой стадии равна единице. Однако наши выводы бросают вызов этой точке зрения.

Исследователи обнаружили, что лимитирующие стадии и степень контроля их скорости меняются в зависимости от перенапряжения и давления. Доктор Йонер подчёркивает, что эта работа задаёт новый способ проведения исследований в области электрохимических катализаторов.

В последние десятилетия исследователи часто применяли определённые типы анализа и теории, исходя из предположения о единственной лимитирующей стадии. Наша работа порывает с этой традицией. Мы предоставляем кинетическую основу для результатов операционной спектроскопии и микроскопии, которые десятилетиями наблюдали зависимые от напряжения структурные и химические изменения. Один из центральных вопросов — как зависимые от перенапряжения и давления динамические микроскопические свойства порождают ансамблевые свойства, определяющие параметры активации. Таким образом, наши выводы задают новую повестку для будущих исследований.

Заключение и перспективы

Профессор доктор Беатрис Рольдан Куэнья подчёркивает важность связи зависимых от перенапряжения и давления химических и структурных изменений на границе раздела катализатор-раствор с параметрами активации. Исследование не только углубляет понимание каталитической активности, но и обещает улучшение технологий преобразования энергии.

Команда намерена продолжить изучение этих результатов, чтобы получить дополнительные фундаментальные знания, которые могут повлиять на области энергетики, химического преобразования и связанных с ними технологий.

Больше информации: Alex Ricardo Silva Olaya et al, Pressure and bias dependence of the rate-limiting steps of the oxygen reduction reaction, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-67494-x