Временная рассинхронизация протонов и электронов на фемтосекундных временных масштабах позволяет создавать аноды с низким содержанием иридия, устойчивые к коррозии, для PEM-электролизёров

Почему важно защищать устройства для производства чистого водорода

Производство водорода из воды с помощью возобновляемой электроэнергии — один из наиболее перспективных способов накопления чистой энергии. Ведущей технологией в этой области является протон-обменная мембранная электролизёрная установка, способная работать на высокой мощности и быстро реагировать на изменения солнечной и ветровой генерации. Однако металлическое покрытие, которое запускает реакцию образования кислорода на аноде, дорого и склонно к постепенному растворению. В этом исследовании раскрывается, что происходит в первую крошечную долю триллионной доли секунды на поверхности анода, и показывается, как переконструировать покрытие так, чтобы терялось значительно меньше драгоценного металла, сохраняя при этом промышленный уровень производительности.

Скрытая слабость современных электролизёров

Большинство коммерческих устройств опираются на оксид иридия в качестве анодного катализатора, поскольку он лучше, чем почти любой другой материал, выдерживает агрессивную кислотную среду. Тем не менее при попытках сократить количество иридия в целях экономии покрытие корродирует быстрее. Ранее указывали на сильно окисленное состояние иридия, часто обозначаемое как Ir в степени окисления +6, как на ключевой фактор, поскольку оно может растворяться в растворе. Однако существующие методы измерения были слишком медленны, чтобы увидеть, как это состояние образуется и исчезает в момент включения устройства, поэтому истинная причина коррозии оставалась предметом споров. В этой работе авторы решают эту давнюю загадку, наблюдая движение электронов и протонов на фемтосекундных временных масштабах — миллионных частях от миллиардной доли секунды — где на самом деле формируются и разрываются химические связи.

Наблюдение движения зарядов на фемтосекундах

Исследователи собрали специально настроенную установку, которая соединяет рабочий электролитный электрод с ультракороткими лазерными импульсами. Один лазерный импульс кратковременно возбуждает катализатор, а другой следует с точно заданной задержкой, чтобы отследить, как изменяется его светопоглощение. Эти тонкие цветовые сдвиги показывают, где находятся электроны и как на них реагируют близлежащие протоны в жидкости. Для коммерческого оксида иридия команда обнаружила, что как только прикладывается рабочее напряжение, электроны покидают центры иридия, а протоны накапливаются у поверхности почти одновременно — в пределах примерно 100 фемтосекунд. Расчёты показали, что когда оба заряда присутствуют вместе, значительно облегчается образование пустот в кристаллической решётке. Эти вакансии служат отпечатком ухода атомов из твердого тела в раствор, что означает: идеально синхронное движение протонов и электронов прямо способствует коррозии.

Новый путь, разделяющий стадии процесса

Опираясь на это понимание, авторы искали способ ускорить движение протонов, чтобы они не накапливались в неправильном месте в неподходящее время. Они смешали оксид иридия с небольшим количеством оксида церия — так называемого кислотного по Ле Шателье оксида, который мягко притягивает и проводит протоны по своей поверхности. Подробные тесты показали, что наилучшие результаты даёт состав с примерно десятипроцентным содержанием оксида церия. Добавленный оксид, скорее чем существенно изменять электронную структуру иридия, открыл мягкий путь для быстрых перемещений протонов вдали от иридиевых участков. Ультрабыстрые измерения выявили заметный сдвиг во времени: электроны по-прежнему перемещались в первые 100 фемтосекунд, но явный сигнал от поверхностных протонов теперь появлялся позже — между 100 и 300 фемтосекундами. Эта временная «несинхронность» препятствовала совместному существованию протонов и сильно окисленного иридия, делая образование вакансий энергетически затратным и значительно подавляя растворение.

От микроскопического масштаба времени к реальной долговечности

Чтобы связать эти ультрабыстрые снимки с поведением устройств, команда применила множество дополнительных методов. Ультрафиолетово-видимая спектроскопия при импульсном напряжении показала, что смешанный оксид церия‑иридия может накапливать гораздо больше желаемых активных состояний иридия без их потерь на побочные реакции. Измерения на кварцевом микровесовом балансе и эксперименты с изотопным трассированием подтвердили, что перенос протонов, включая движение более тяжёлых дейтериевых ионов, заметно ускорился в модифицированном катализаторе. При сборке в полноразмерные мембранно-электродные узлы и испытаниях в реальных водородных электролизёрах новый анод обеспечивал высокую плотность тока — до 3 ампер на квадратный сантиметр — при более низких рабочих напряжениях, чем стандартный оксид иридия, несмотря на меньшее содержание иридия. Наиболее примечательно, что элементы работали стабильно около 1400 часов и выдержали десятки тысяч быстрых циклов включения-выключения и смоделированные суточные солнечные ритмы без заметного ухудшения.

Что это значит для будущих систем чистой энергии

Проще говоря, исследование показывает, что коррозия в этих устройствах запускается в первые мгновения после включения, когда протоны и электроны одновременно приходят к поверхности иридия. Внедряя тщательно подобранный оксид, который служит «шоссе» для протонов, исследователи намеренно вводят небольшую задержку между их приходом, разрывая это разрушительное взаимодействие. Этот простой сдвиг во времени позволяет инженерам использовать гораздо меньше иридия, при этом создавая надёжные и долговечные водородные электролизёры. Кроме конкретного материала, работа демонстрирует, что «когда» движутся заряды может быть столь же важно, как и «насколько много», что открывает новый принцип проектирования для электрохимических технологий, призванных превращать возобновляемую электроэнергию в чистые топлива и химикаты.

Цитирование: Shen, W., Gao, FY., Sun, X. et al. Proton–electron temporal asynchrony on femtosecond timescales enables anti-corrosive low-iridium anodes for PEM electrolysers. Nat. Nanotechnol. 21, 598–605 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02136-x

Ключевые слова: производство водорода, электролиз воды, коррозия катализатора, ультрабыстрая спектроскопия, материалы для чистой энергии