Одно из таких достижений представила команда из Шанхайского института керамики Китайской академии наук. Их работа, проведенная вместе с коллегами из Университета науки и технологий Хуачжун, Шанхайского транспортного университета и Университета Окленда, опубликована в журнале Science.
В основе работы лежит важнейший процесс — окисление воды, в ходе которого молекулы воды распадаются на кислород, протоны и электроны. Этот этап был трудным для ученых из-за высоких энергетических затрат и медленных реакций, поэтому требовались особенно эффективные катализаторы — вещества, ускоряющие химические реакции.
Обычные катализаторы на основе переходных металлов хоть и показывали хорошие результаты, быстро разрушались при высоких токах, необходимых для промышленного водородного производства. Чтобы решить эту проблему, исследователи предложили новую стратегию: они объединили металлоорганические каркасы, сложные соединения металлов и органических молекул, с полиметаллатами, устойчивыми молекулярными структурами, через специальные никелевые мосты. Так был создан уникальный суперструктурный катализатор MOF@POM.
При работе в процессе окисления воды катализатор трансформировался в однородный слой гидроксида кобальта и железа, прочно связанный с полиметаллатами. Такая структура обеспечивала высокую активность и стабильность материала даже в жестких условиях.
Ин-ситу спектроскопия, метод анализа материалов прямо во время реакции, показала, что активные центры кобальта и железа усиливают друг друга, а элементы никеля и вольфрама динамически регулируют их работу. Это взаимодействие не только увеличивало эффективность катализатора, но и защищало его структуру от разрушения.
Новый катализатор продемонстрировал отличные результаты: ему требовалось всего 178 милливольт дополнительного напряжения для достижения плотности тока 10 мА/см², что лучше многих существующих аналогов. В опытном электрохимическом устройстве катализатор обеспечил ток 3 А/см² при низком рабочем напряжении, превысив цели Министерства энергетики США для промышленных установок.
Долговечность системы тоже впечатляет: электролизер стабильно работал более 5 140 часов при комнатной температуре и более 2 000 часов при 60 градусах без значимого падения эффективности. Это исследование не только поднимает планку для водоразделительных катализаторов, но и создает основу для разработки новых поколений материалов для экологически чистого производства водорода.
Преобразование воды в источник чистой энергии — важная задача, над которой работают ученые по всему миру. А вот превращение углекислого газа в топливо — еще один шаг к устойчивому будущему, и здесь есть свои свежие успехи.
