Создание вакансий катионов Co в динамически реконструируемых катализаторах на основе Co для практического электролиза с анионообменной мембраной

Более эффективное превращение воды в топливо

Чистый водород — перспективное топливо для низкоуглеродного будущего, но его производство из воды всё ещё требует слишком много энергии. В этом исследовании рассматривается умный способ улучшить одно из слабых звеньев в установках для расщепления воды: материал, который помогает вытягивать кислород из воды. Путём проектирования этого материала на атомном уровне исследователи показывают, как получать больше водорода из воды при меньшем энергозатрате и с значительно большей долговечностью — ключевой шаг к доступному зелёному водороду.

Почему важны лучшие «помощники» для кислорода

Промышленные установки для электролиза воды, особенно электролизёры с анионообменной мембраной, привлекательны тем, что могут использовать дешёвые и распространённые в природе материалы вместо дорогих металлов вроде иридия. Однако на стороне, где образуется кислород, большинство недорогих катализаторов либо работают слишком медленно, либо разрушаются в жёстких рабочих условиях. Соединение на основе кобальта, называемое кобальт‑оксихидроксидом, — один из более перспективных вариантов, но и оно сталкивается с компромиссом: усиление активации кислорода может ускорить реакцию, но со временем повредить структуру материала. Главная задача — разработать катализатор, который одновременно ускоряет выделение кислорода и восстанавливает себя в процессе работы.

Создание полезных «отсутствующих атомов»

Команда решила эту проблему, преднамеренно вводя крошечные несовершенства — пропуски кобальта — в тонкие листы кобальтового катализатора. Сначала они синтезировали кристаллы ремнеобразной формы из соединения, содержащего кобальт, селен и небольшое количество стронция. Расчёты на компьютере и рентгеновские измерения показали, что добавление стронция ослабляет определённые химические связи, делая структуру более податливой к реорганизации в ходе работы. Под воздействием условий реакции образования кислорода эти кристаллы трансформировались в нанолисты кобальт‑оксихидроксида с множеством хорошо распределённых вакансий кобальта, причём атомы стронция оставались стабилизирующими компонентами в новой структуре.

Как атомная схема ускоряет реакцию

Детальные эксперименты и компьютерные моделирования объяснили, почему такие намеренно созданные вакансии полезны. Вокруг вакансий кобальт и кислород сильнее делят электроны, что упрощает участие кислорода из кристаллической решётки в реакции. Это активирует альтернативный путь реакции, при котором атомы кислорода в решётке действуют совместно с приходящими из воды фрагментами и непосредственно образуют молекулярный кислород. Одновременно изменённая электронная среда вокруг вакансий усиливает притяжение между катализатором и приходящими гидроксильными группами из раствора. Эти группы быстро заполняют временные пробелы кислорода, возникающие в ходе реакции, предотвращая разрушение структуры. Иными словами, материал спроектирован так, чтобы одновременно выделять и восстанавливать кислород в сбалансированном цикле.

Работа в реалистичных устройствах

При испытаниях в щелочном растворе нанолисты со стронций‑обогащёнными вакансиями кобальта генерировали кислород при значительно больших токах и более низких напряжениях, чем простой кобальт‑оксихидроксид и коммерческий катализатор на основе рутиния. Важно, что они сохраняли эту эффективность почти без потерь даже после тысяч быстрых циклов включения‑выключения, и потеря кобальта в раствор оставалась очень малой. В полном электролизёре с анионообменной мембраной, работающем при 80 °C и с коммерческим электродом для производства водорода на противоположной стороне, новый катализатор обеспечивал промышленный ток 3,3 А/см² при всего 2,0 В, с меньшим расходом энергии на килограмм водорода по сравнению с целевыми показателями современной технологии и стабильной работой более 1000 часов.

Что это значит для зелёного водорода

Эта работа показывает, что аккуратное создание и стабилизация «пропусков» металла внутри катализатора может превратить структурную слабость в мощную конструктивную особенность. Используя стронций для направленной генерации вакансий кобальта, которые одновременно активируют кислород и обеспечивают быстрое самовосстановление, исследователи создали недорогой катализатор, быстрый, эффективный и исключительно долговечный в реальных условиях работы. Такое атомное инженерное решение даёт план для создания следующего поколения прочных, высокоэффективных материалов, необходимых для практичного масштабного производства зелёного водорода.

Цитирование: Zhao, J., Li, X., Wang, K. et al. Engineering Co-ion vacancy in dynamically reconstructed Co-based catalysts for practical anion-exchange membrane electrolysis. Nat Commun 17, 2858 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69547-1

Ключевые слова: зелёный водород, электролиз воды, катализатор эволюции кислорода, кобальт-оксихидроксид, инжиниринг дефектов

Подробнее на сайте исследовательской группы: https://www.xuzhaolab.com/news.php