Одноатомный вольфрам, подобранный машинным обучением, улучшает оксигидроксиды для электролиза воды без благородных металлов

Более эффективное превращение воды в топливо

Разделение воды на водород и кислород с помощью электричества — один из наиболее перспективных способов хранения чистой энергии от солнца и ветра. Но в современных установках по‑прежнему теряется много энергии, и часто используются редкие дорогостоящие металлы, такие как иридий. В этом исследовании показано, как сочетание искусственного интеллекта и продуманной химии может обнаружить более дешёвый и эффективный материал для образования кислорода — самой сложной половины реакции расщепления воды — приближая масштабное производство зеленого водорода.

Почему кислород — самая сложная часть

В устройствах для расщепления воды реакция образования кислорода требует дополнительного напряжения сверх того, что предсказывает простая химия, действуя как упрямый пункт оплаты, который снижает эффективность. Материалы на основе иридия отлично ускоряют эту реакцию, но они редки и дороги, а их добыча вызывает экологические проблемы. Более распространённые соединения металлов на основе никеля, железа и кобальта являются хорошими кандидатами, но их природная активность ограничена. Учёные обнаружили, что добавление небольших количеств других элементов или даже выделение одиночных атомов может существенно повысить эффективность — однако возможных комбинаций чрезвычайно много, и метод проб и ошибок слишком медленный.

Доверяя лабораторный поиск машинному обучению

Исследователи решили эту задачу, обратившись к мощной модели машинного обучения EquiformerV2, обученной прогнозировать взаимодействия атомов на поверхностях катализаторов. Они подали в модель почти 4000 различных конструкций, где одиночные атомы металлов вводились в слоистые металлооксигидроксиды — материалы, уже известные своей работоспособностью в щелочном электролизе. Для каждой конструкции модель быстро оценивала, насколько сильно будут связываться ключевые фрагменты реакции — то, что обычно требует трудоёмких квантово‑механических расчётов. Из этого виртуального скрининга выделился один кандидат: оксигидроксид никеля и железа с изолированными атомами вольфрама прямо под поверхностью, получивший обозначение W1–NiFeOOH.

Создание и исследование нового катализатора

Руководствуясь результатами компьютера, команда разработала быстрый метод электроосаждения для выращивания ультратонких листов W1–NiFeOOH непосредственно на электродных подложках за считанные минуты при комнатной температуре. Продвинутая микроскопия показала яркие отдельные атомы вольфрама, распределённые в решётке никеля и железа без образования крупных частиц, а рентгеновские методы подтвердили, что исходная кристаллическая структура сохранилась. При испытаниях в щелочном растворе этот материал требовал существенно меньшего дополнительного напряжения для проталкивания реакции образования кислорода по сравнению со стандартным никель‑железным оксигидроксидом и даже коммерческим иридиевым катализатором. В полном устройстве с коммерческой мембраной анод с добавлением вольфрама достиг промышленных плотностей тока — более 13 ампер на квадратный сантиметр при 2,0 вольта — при стабильной работе более 500 часов.

Как скрытые атомы вольфрама выполняют основную работу

Чтобы понять, почему вольфрам так эффективен, команда наблюдала за работой катализатора в реальном времени с помощью рентгеновской абсорбции и рамановской спектроскопии. Эти измерения показали, что сами атомы вольфрама практически не меняют своё химическое состояние в ходе работы, то есть они не являются прямыми местами образования кислорода. Вместо этого они тонко изменяют электронную среду соседних атомов никеля и железа на кромках листов, где реакция фактически происходит. Такая настройка облегчает отрыв протонов с поверхности и перестройку кислородсодержащих групп, переводя материал в более активную «гамма»‑фазу при более низких приложенных напряжениях. Компьютерные моделирования поддержали эту картину, показав, что вольфрам снижает энергетический барьер для критического этапа реакции, меняя распределение электронов между металлом и кислородом.

Что это значит для чистого водорода

Объединив быстрый поиск с помощью машинного обучения и тщательные эксперименты, исследование даёт как практический шаг вперёд — прочный катализатор для генерации кислорода без иридия — так и ясное понимание его работы. Вместо того чтобы выступать в роли звёздного исполнителя, каждый атом вольфрама выполняет роль искусного тренера, молча усиливая возможности существующих никель‑железных сайтов. Эта стратегия использования одиночных «промоторных» атомов для тонкой настройки распространённых материалов может направить разработку многих будущих катализаторов, помогая снизить затраты и повысить эффективность устройств, превращающих воду и возобновляемую электроэнергию в чистое водородное топливо.

Цитирование: Kim, J., Kwon, I.S., Lim, J. et al. Machine-learning-guided tungsten single atoms promote oxyhydroxides for noble-metal-free water electrolysis. Nat Commun 17, 2344 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68735-3

Ключевые слова: электролиз воды, реакция эволюции кислорода, катализаторы с одиночными атомами, поиск материалов с помощью машинного обучения, зеленый водород