Водород называют топливом будущего: он не загрязняет воздух, может питать машины, поезда и даже целые заводы. Но пока его производство — это дорого и сложно, ведь нужны редкие металлы, такие как иридий. Учёные из Южного федерального университета (ЮФУ) в Ростове-на-Дону вместе с коллегами из Китая нашли выход: они создали новый катализатор на основе рутения, который дешевле и работает лучше. Их разработка снижает затраты на энергию и делает оборудование долговечнее. Опубликованные в журнале Nature Communications результаты могут стать шагом к миру, где чистое топливо будет доступно каждому. Давайте разберёмся, как это работает и почему это так важно.
Почему водород так сложно добывать
Водород получают, расщепляя воду на кислород и водород с помощью электричества — этот процесс называется электролиз. Чтобы он шёл быстрее, нужен катализатор, и обычно это иридий — металл, который дороже золота и встречается реже. Его добыча сложная, а запасы ограничены, из-за чего производство водорода становится неподъёмно дорогим. К тому же иридиевые катализаторы быстро изнашиваются в кислотной среде, где проходит реакция. Это значит, что оборудование чаще ломается, а электричества тратится больше, чем хотелось бы. Всё это делает водородное топливо мечтой, а не реальностью для большинства стран. Учёные по всему миру ищут, чем заменить иридий, чтобы водород стал дешевле и доступнее.
Иридий добывают в основном в Южной Африке, и его цена зависит от поставок, которые могут прерваться. Это как если бы весь бензин в мире зависел от одного месторождения — рискованно и дорого. Кроме того, для работы иридиевых катализаторов нужно высокое напряжение, что увеличивает счёт за электричество и нагревает установки. В итоге оборудование изнашивается, а производство становится неэкологичным из-за добычи редкого металла. В России, где хотят развивать зелёную энергетику, такие проблемы особенно актуальны. Без новых технологий мечты о водородных заправках или поездах останутся на бумаге. Поэтому учёные сосредоточились на поиске материалов, которые есть под рукой и не уступают по качеству.
Ещё одна сложность — это стабильность катализаторов. В кислотной среде, где выделяется кислород, материалы быстро разрушаются. Это как если бы кастрюля на плите растворялась от кипящей воды — неудобно и дорого. Учёные ЮФУ и их китайские коллеги решили эту проблему, обратив внимание на рутений — металл, который чаще встречается и уже используется в промышленности. Исследования поддерживаются грантами, например, Российским научным фондом, и входят в проект ЮФУ «Приоритет 2030». Решение этих задач может приблизить нас к экономике, где чистое топливо станет нормой.
Новый катализатор: рутений вместо иридия
Учёные заменили иридий на рутений — металл, который в 5–10 раз чаще встречается в природе и стоит дешевле. Чтобы он работал ещё лучше, в катализатор добавили немного редкоземельных элементов, таких как неодим. Это как добавить щепотку соли в суп, чтобы вкус стал ярче: атомы неодима настраивают химические связи так, чтобы реакция шла легче и быстрее. В итоге перенапряжение — лишняя энергия, нужная для старта реакции, — снизилось до 214 мВ. Это отличный результат, который превосходит большинство катализаторов на основе рутения. Новый материал создали в три этапа: восстановили водородом, окислили наночастицы и обработали кислотой. Получились крошечные частицы размером 3,9 нм, которые равномерно распределяют элементы и работают стабильно.
Михаил Солдатов, доцент ЮФУ и кандидат физико-математических наук, объясняет это так: «Представьте, что катализатор — это магнит, который должен какое-то время удерживать продукты реакции. Если магнит слишком «сильный», то промежуточные частицы сильно «прилипают» и тормозят процесс; если «слабый» — не удерживаются их достаточно. Была найдена «золотая середина» с помощью тонкой настройки полярности связи Ru–O, путем подбора добавки атомов редкоземельных металлов, которая оптимизирует силу взаимодействия таким образом, чтобы реакция выделения кислорода проходила легко и устойчиво.»<grok:render type="render_inline_citation">15</grok:render> Это делает процесс не только эффективным, но и долговечным. Учёные использовали рентгеновскую спектроскопию, чтобы убедиться, что структура катализатора идеальна.
Катализатор работает в 10 раз дольше обычных аналогов — до 200 часов без сбоев в реальных условиях. Он показал наклон Тафеля 65 мВ/дек, что говорит о быстрой реакции. Такие показатели делают его готовым к использованию в больших проектах. Солдатов добавляет: «Этот катализатор позволяет снизить перенапряжение для реакции выделения кислорода на десятки милливольт, что критично для водородной энергетики, где важен каждый мВ. Значения перенапряжения 214 мВ — это лучше большинства катализаторов на основе оксида рутения, которые к тому же менее активны и стабильны.»
Что это значит для будущего
Новый катализатор может изменить правила игры в водородной энергетике. Он делает производство дешевле, а значит, водородные заправки и машины могут стать реальностью. Представьте: вы заправляете авто не бензином, а водородом, который не вредит природе. Оборудование с этим катализатором меньше изнашивается, а энергии тратится меньше, что снижает расходы. Это особенно важно для России и Китая, которые хотят быть лидерами в зелёной энергетике. В будущем такие технологии могут питать целые города или заводы, работая вместе с солнечными или ветровыми станциями. Это шаг к миру, где выбросы CO₂ станут редкостью.
Катализатор готов к реальным заводам, с эффективностью почти 99% для водорода. Учёные уже планируют тестировать его на предприятиях и улучшать для массового производства. В России это может дать толчок новым рабочим местам в регионах, где добывают рутений. А в мире — ускорить переход к чистой энергии.
Следующий шаг — адаптировать технологию для больших заводов и проверить её в деле. Если всё пойдёт по плану, скоро мы увидим водородные автобусы, поезда и даже электростанции. Это не только про экологию, но и про экономию: меньше затрат на топливо и меньше вреда природе. Учёные верят, что их разработка станет основой для новых энергосистем. Это как мост в будущее, где энергия чистая, а воздух — свежий.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
Инвестируйте в российские Дирижабли нового поколения: https://reg.solargroup.pro/ecd608/airships/?erid=2VtzqwwxGTG
