Полукристаллический катализатор на основе никеля и кобальта улучшает производство водорода

Производство чистого водорода методом электролиза воды — перспективный путь к созданию безуглеродных и устойчивых энергетических технологий. Однако его эффективность до сих пор ограничивается медленной кинетикой реакции выделения кислорода (OER). Для этой реакции требуется высокий входной потенциал, и она протекает в условиях сильного окисления, что часто заставляет идти на компромисс между каталитической активностью и долгосрочной стабильностью.

Графическая аннотация. Автор: ACS Applied Energy Materials (2025). DOI: 10.1021/acsaem.5c02641

В недавней работе, опубликованной в журнале ACS Applied Energy Materials, исследователи попытались выяснить, можно ли преодолеть это давнее ограничение с помощью дизайна катализатора, а не полагаясь на дефицитные благородные металлы (иридий или рутений) или сложные стратегии наноструктурирования.

В этом исследовании основное внимание было уделено вольфраматам никеля и кобальта — оксидным материалам, которые ранее мало изучались для щелочной OER. Вместо получения полностью кристаллических или полностью аморфных фаз ученые целенаправленно создали полукристаллическую структуру твёрдого раствора. Это промежуточное структурное состояние оказалось ключевым, поскольку оно сочетает структурную прочность кристаллических фаз с высокой плотностью активных центров, обычно связанных с неупорядоченными аморфными фазами.

Частично замещая никелем решётку вольфрамата кобальта, удалось систематически настраивать электронную структуру и пористость материала. Электрохимические измерения в щелочном электролите показали, что этот смешанный металлический полукристаллический катализатор демонстрирует повышенную активность в реакции OER, сохраняя при этом высокую эксплуатационную стабильность в ходе длительных испытаний.

Важно отметить, что рост производительности был обусловлен не только увеличением площади поверхности, но и улучшенными характеристиками переноса заряда и более благоприятной энергетикой реакции на поверхности катализатора.

Ещё одним ключевым аспектом этой работы является масштабируемость и воспроизводимость. Катализатор был синтезирован в граммовых количествах с использованием простого и воспроизводимого метода приготовления, что крайне важно для любого материала, предназначенного для практического применения в электролизёрах. Это отличает данную систему от многих высокопроизводительных лабораторных катализаторов, которые зависят от сложных синтетических маршрутов, трудно поддающихся масштабированию.

В более широкой перспективе эта работа подчёркивает, как контролируемая полукристалличность и химия твёрдых растворов могут быть использованы в качестве эффективных принципов проектирования электрокатализаторов. Результаты показывают, что структурную неупорядоченность можно стратегически использовать для баланса активности и долговечности — двух свойств, которые часто трудно достичь одновременно.

Это исследование стимулирует дальнейшее изучение полукристаллических и смешанных металлооксидных систем в качестве жизнеспособной альтернативы катализаторам из драгоценных металлов. Опираясь на распространённые в земной коре элементы и масштабируемый синтез, такие материалы могут сыграть важную роль в развитии эффективного и экономически жизнеспособного производства чистого водорода методом электролиза.

Больше информации: Ayon Karmakar et al, Semicrystalline Nickel Cobalt Tungstate Solid-Solution for Enhanced Electrocatalytic Oxygen Evolution Activity in Alkaline Media, ACS Applied Energy Materials (2025). DOI: 10.1021/acsaem.5c02641

Интересный факт: Водород, полученный с помощью электролиза воды с использованием возобновляемой электроэнергии (так называемый «зелёный водород»), считается одним из самых чистых видов топлива, так как при его сжигании образуется только вода. К 2026 году многие страны активно развивают эту технологию, стремясь снизить зависимость от ископаемого топлива.