Никелевые одноатомные катализаторы с адаптивной структурой для электросинтеза чистого перекиси водорода при промышленной плотности тока

Более чистый отбеливатель и дезинфектант для повседневной жизни

Перекись водорода незаметно поддерживает современную жизнь — от отбеливания бумаги и очистки сточных вод до дезинфекции медицинских инструментов. Сегодня ее в основном производят на крупных химических заводах и затем перевозят по всему миру, что требует энергии и влечет проблемы с безопасностью и загрязнением. В этом исследовании рассматривается новый способ получения перекиси водорода прямо из воздуха и воды в компактном устройстве, используя «умный» материал на основе никеля, который может адаптировать свою структуру в процессе работы.

Почему нужен новый способ производства этого распространенного химиката

Стандартный промышленный путь производства перекиси водорода опирается на устаревший процесс с использованием жидкостей, полученных из нефти: он энергоемок и требует тщательной логистики при хранении и транспортировке. Напротив, электролитическое производство использует электричество для соединения кислорода из воздуха с водой, формируя перекись водорода по требованию. При питании от возобновляемых источников такие системы могли бы обеспечивать чистые локальные поставки для заводов, больниц и очистных сооружений. Основной препятствием было найти катализатор, который был бы одновременно эффективным и долговечным при высоких плотностях тока, требуемых в реальных промышленных условиях.

Одноатомная никелевая матрица, которая перестраивается

Исследователи разработали катализатор, в котором отдельные атомы никеля закреплены на пористой углеродной поверхности и окружены атомами азота и бора. Такая тщательно продуманная среда контролирует, как каждый атом никеля взаимодействует с кислородом в ходе реакции. В состоянии покоя никель находится в конфигурации, которую команда называет NiB2N2, отражая два соседних бора и два азота. При рабочем напряжении одна связь никель–бор мягко разрывается, и структура смещается в новую схему, NiB1N2, которая сильнее связывает промежуточные продукты реакции. Это переструктурирование происходит без агрегации атомов никеля, что является распространенным механизмом разрушения многих одноатомных материалов.

Как катализатор направляет кислород в сторону перекиси водорода

В электрохимических ячейках кислород может идти по нескольким путям реакции: один полностью превращает его в воду, другой останавливается на промежуточной стадии — перекиси водорода. Новые никелевые центры настроены так, чтобы благоприятствовать двухэлектронному пути, ведущему к перекиси водорода, и удерживать важный промежуточный вид с достаточной силой, чтобы реакция протекала эффективно. Передовые рентгеновские и рамановские измерения, выполненные в рабочем режиме, показывают, что никелевые атомы сохраняют почти одинаковое зарядовое состояние, хотя длины их связей с бором и азотом слегка удлиняются или укорачиваются. Компьютерные симуляции показывают, что такое «гибкое» поведение связей перераспределяет электроны вокруг никелевого центра, действуя как встроенный буфер, который стабилизирует желаемый путь реакции.

Преобразование воздуха и воды в концентрированную перекись

Для проверки производительности в реальных условиях команда собрала ячейку с твёрдым электролитом, в которой кислород проходит по одной стороне через слой с никелевым катализатором, а вода и ионы перемещаются через специальные мембраны посередине. Такая компоновка позволяет перекиси водорода образовываться и собираться в виде почти чистой жидкости, а не смешиваться в большом объеме солевого раствора. Используя свой структуро‑адаптивный никелевый материал, исследователи достигли скоростей производства значительно выше, чем у сопоставимых катализаторов, и сохранили высокую эффективность в широком диапазоне условий работы. При плотностях тока, сравнимых с промышленными, устройство непрерывно генерировало примерно 5-процентный раствор перекиси водорода более 300 часов с небольшой потерей выхода.

Что это значит для будущей зеленой химии

Проще говоря, работа показывает, что возможно создать катализатор, способный «самонастраиваться» в атомной структуре в рабочих условиях, поддерживая свою производительность вместо постепенного ухудшения. В сочетании с продуманной конструкцией ячейки этот изменяющий форму никелевый материал демонстрирует путь к компактным установкам, которые могут производить чистую перекись водорода прямо там, где она нужна. При масштабировании такие системы могли бы сократить зависимость от больших централизованных заводов и уменьшить экологический след химиката, который лежит в основе многих повседневных продуктов и технологий очистки воды.

Цитирование: Wang, Z., Jia, H., Xie, A. et al. Structure-adaptive single-atom nickel catalysts for pure hydrogen peroxide electrosynthesis at industrial current density. Nat Commun 17, 4431 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71120-9

Ключевые слова: перекись водорода, электрокатализ, никелевый катализатор, одноатомный катализатор, зеленая химия