Синтез атомарно дисперсных катализаторов методом термической активации с помощью, похожей на хрупкость от водорода, обработки для кислородного восстановления в кислой среде

Превращение металлических атомов в эффективных помощников

Топливные элементы могут превращать водород в электричество, выделяя при этом только воду, но для ускорения ключевой реакции восстановления кислорода они зависят от дорогих и порой хрупких катализаторов. В этом исследовании показан новый способ размещения благородных металлов — таких как рутений, палладий, платина и золото — в виде изолированных одиночных атомов на углероде, что делает их более эффективными и долговечными при значительно меньшем расходе металла. Работа использует идею, заимствованную из явления, когда водород ослабляет металлы, и применяет её для создания лучших рабочих элементов для устройств чистой энергии.

Почему одиночные атомы важны

Во многих реакциях в топливных элементах и батареях уже применяют металлы, такие как железо, кобальт и марганец, в виде изолированных атомов для точного катализа химических этапов. Проведение того же подхода с более тяжёлыми металлами, например рутением и платиной, могло бы значительно повысить эффективность, но эти металлы сильно притягиваются друг к другу и имеют склонность образовывать кластеры или наночастицы. В таком случае в реакции участвуют только поверхностные атомы, и много дорогостоящего материала тратится впустую. Задача состоит в том, чтобы разъединить эти металлы на отдельные атомы и удержать их от повторного слияния при высоких температурах, необходимых для изготовления практичных катализаторов.

Использование водорода для разрыва кластеров

Исследователи почерпнули вдохновение из явления водородной хрупкости — хорошо известной проблемы, когда водород проникает в металлы и вызывает их растрескивание. В их подходе небольшие кластеры благородного металла размещают внутри пористого, азот-содержащего углеродного материала. При нагреве материала в потоке водорода атомы водорода проникают в металлический кластер и слегка раздвигают атомы металла. Вычисления показывают, что такое насыщение водородом снижает энергетический барьер для выхода атома металла из кластера и его перехода к близлежащему азотному узлу в углероде. Эксперименты с использованием высокоразрешающей электронной микроскопии и рентгеновских методов подтверждают, что по мере повышения температуры кластеры металла уменьшаются и в конечном счёте исчезают, уступая место изолированным одиночным атомам, каждый из которых связан с четырьмя атомами азота в углероде.

Эффективность рутениевого катализатора в кислой среде

Чтобы проверить, насколько хорошо эта стратегия работает в реальных устройствах, команда сосредоточилась на рутении как модельном металле для реакции восстановления кислорода в кислотных условиях — требовательной среде, характерной для многих протонно-обменных мембранных топливных элементов. Образец, нагретый до 950 градусов Цельсия в атмосфере водорода, дал плотный массив одиночных рутениевых центров и показал значительно более высокую активность восстановления кислорода по сравнению с материалом, обработанным без водорода. В испытаниях на вращающемся электроде он приблизился по показателям к коммерческой платиновой катализаторной системе, обеспечивая практически полное четырёхэлектронное превращение кислорода в воду с очень небольшим образованием перекиси. Рутениевый катализатор также сохранил свою активность после 30 000 тестовых циклов, значительно превосходя по стабильности современный катализатор на основе железа.

От модельного катализатора до рабочего топливного элемента

Далее команда собрала полные топливные элементы, используя обработанный водородом рутениевый катализатор на катоде. В практически применимых условиях «водород‑воздух» ячейки достигали выходной мощности, сопоставимой или превосходящей многие опубликованные системы без платины и без железа, при хорошей эффективности. Важно, что после 30 000 быстрых скачков напряжения, имитирующих интенсивную эксплуатацию, рутениевая ячейка сохранила более четырёх пятых своей пиковой мощности, тогда как железная ячейка потеряла около половины. Дополнительные химические тесты и моделирование указывают на то, что рутениевые центры сильнее связаны с углеродной матрицей и меньше склонны генерировать реакционноспособные виды, которые могут повредить подложку и ионно-проводящую мембрану.

Новый рецепт для материалов будущей чистой энергетики

Для неспециалиста главный вывод таков: аккуратное использование водорода при термической обработке может мягко разъединять кластеры благородных металлов и закреплять высвобождённые атомы на устойчивой подложке. Эта простая идея превращает нежелательный эффект ослабления металла в инструмент для создания высокоэффективных и долговечных катализаторов с гораздо меньшим расходом дорогостоящего металла. Поскольку метод работает также для палладия, платины и золота, он предлагает универсальный рецепт для разработки лучших материалов для топливных элементов и других энергетических технологий, зависящих от чистых и эффективных реакций с участием кислорода.

Цитирование: Guo, P., Dai, Y., Zhang, Y. et al. Synthesis of atomically dispersed catalysts via hydrogen embrittlement-like assisted thermal activation for acidic oxygen reduction. Nat Commun 17, 4701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71340-z

Ключевые слова: катализатор одиночных атомов, восстановление кислорода, топливный элемент, катализатор на основе рутения, обработка водородом