Устойчивая непрерывная электролиз морской воды с использованием атомарного интерфейсного катализатора через стратегию жидкой среды

Преобразование морской воды в чистое топливо

В то время как мир ищет более чистые источники энергии, водород, получаемый из воды с помощью возобновляемой электроэнергии, выглядит особенно привлекательно. Но крупномасштабные водородные установки обычно опираются на дефицитную пресную воду, а попытки напрямую использовать морскую воду сталкиваются с серьёзными техническими проблемами, такими как засоры, коррозия и энергозатратные побочные реакции. В этом исследовании предложен практический способ превращать обычную морскую воду в непрерывный поток водорода без предварительного удаления соли, используя продуманную систему фильтрации и высокоэффективный катализатор, построенный из тщательно расположенных атомов металлов.

Почему морскую воду так трудно использовать

На первый взгляд морская вода должна быть идеальным сырьём для получения водорода: океаны содержат почти всю жидкую воду Земли. Тем не менее электролиз морской воды — разложение воды на водород и кислород с помощью электроэнергии — ведёт себя совсем иначе, чем электролиз чистой воды. На отрицательном электроде локальное накопление гидроксид-ионов приводит к выпадению растворённых кальция и магния в стойкие минеральные наслоения, которые забивают поверхность. На положительном электроде хлорид‑ионы могут окисляться до соединений, содержащих хлор, которые разъедают компоненты и представляют опасность. В совокупности эти эффекты делают существующие установки для электролиза морской воды неэффективными, недолговечными и трудно масштабируемыми.

Двухступенчатая система, пропускающая только воду

Исследователи создали систему, которая держит проблемные соли на расстоянии. Морская вода прокачивается вокруг внешней стороны модуля в виде «баллонного фильтра», в то время как внутри циркулирует концентрированный щелочной электролит. Через тонкую мембрану баллона могут мигрировать только молекулы воды, движимые текущим электролизом в последующем элементе. Соли и другие ионы морской воды остаются снаружи. Проникающая вода затем поступает в электролизёр с анионообменной мембраной, где она разделяется на водород и кислород в строго контролируемой среде. Поскольку скорость прохождения воды через баллон автоматически связана со скоростью образования газов, концентрация электролита остаётся почти постоянной без сложных систем управления.

Катализатор, собранный атом за атомом

Чтобы эффективно расщеплять эту профильтрованную воду, команда разработала новый катализатор из оксидов никеля и молибдена, организованных на уровне отдельных атомов. С помощью жидкостного метода приготовления они вырастили «лес» крошечных чашевидных впадин на никелевой подложке, а затем образовали бесчисленные мостики, где атомы никеля связываются с молибденом через атомы кислорода. Эти мостики Mo–O–Ni придают каждому реакционному центру двойственный характер: одна сторона помогает разрывать водяные молекулы, а другая — собирать и высвобождать молекулярный водород. Микроскопия и продвинутые рентгеновские измерения подтвердили задуманную структуру и показали, что атомы никеля вблизи мостиков приобретают электронное состояние, оптимальное для ускорения реакции.

Быстрые реакции, стабильная работа

В лабораторных испытаниях новый катализатор требовал лишь очень небольшого дополнительного напряжения для начала производства водорода и сохранял высокие скорости реакции даже при промышленных плотностях тока. Его нано‑шероховатая, легко смачиваемая поверхность позволяет пузырькам газа быстро отделяться, не препятствуя поступлению свежей воды к активным участкам. Операндные эксперименты — измерения, выполненные во время работы катализатора — показали, что структура остаётся стабильной при рабочих условиях, а области, богатые молибденом, ослабляют внутримолекулярные связи воды, в то время как области, обогащённые никелем, облегчают высвобождение водорода. Компьютерные симуляции поддержали эту картину, показав, что атомные мостики снижают энергетические барьеры как для расщепления воды, так и для высвобождения водорода по сравнению с более простыми материалами.

Долговечная система «морская вода → водород»

В сочетании баллонный фильтр и катализатор Mo–O–Ni образовали систему электролиза морской воды, которая работала непрерывно при высоком токе в течение тысяч часов. Испытания на настоящей морской воде из Бохайского залива показали, что почти никакие ионы соли не проникали в электролит, побочные продукты, содержащие хлор, не обнаруживались, а напряжение, необходимое для поддержания работы устройства, со временем увеличивалось лишь незначительно. Проще говоря, исследование демонстрирует реалистичный путь превращения обильной морской воды в чистое водородное топливо без предварительной опреснительной обработки, за счёт умного разделения местонахождения солей и точного проектирования совместной работы атомов на поверхности катализатора.

Цитирование: Shi, Z., Shi, W., Zhang, C. et al. Sustainable continuous seawater electrolysis using atomic interface catalyst via liquid-medium strategy. Nat Commun 17, 3940 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70234-4

Ключевые слова: электролиз морской воды, зеленый водород, электрокатализатор, интерфейс никель-молибден, ионно-обменная анионная мембрана