Друзі, навіть якщо ви не всі добре розбираєтеся в хімії, я точно знаю, що ви в курсі звідки береться енергія на нашій планеті Земля. Так, це безумовно наша зірка Сонце. Воно є першоджерелом енергії на планеті. Ця стаття присвячена цьому. Ще в дитинстві я мріяв про те щоб наблизитися до вирішення задачі штучного фотосинтеза. Тобто, знайти каталізатор, який здатний відірвати електрони від кисня води. Так от пройшло багато часу, але не марно. Ось деякі реальні результати. І ми можемо побачити як Людство вирішить ці задачу. Це відкриває неймовірні горизонти для нашого вида та не тільки.
У сучасних дослідженнях, спрямованих на розвиток відновлюваних джерел енергії, особливу увагу приділено процесу електролізу води для отримання водню. Цей процес складається з двох основних реакцій: реакції виділення водню (HER) та реакції виділення кисню (OER). Остання є критично важливою, оскільки її ефективність безпосередньо впливає на загальну продуктивність та економічність виробництва водню.
Традиційно, OER вимагає використання каталізаторів, здатних працювати в кислих середовищах, що є характерним для багатьох промислових застосувань. Однак більшість доступних каталізаторів або не забезпечують достатньої активності, або швидко деградують в таких умовах. Це створює потребу в розробці нових матеріалів, які поєднують високу каталізаторну активність з довговічністю.
Нещодавно група дослідників з Університету Тохоку представила інноваційний каталізатор — Ru₃Zn₀.₈₅W₀.₁₅Oₓ (RZW), який демонструє значне покращення ефективності та стабільності OER в кислих середовищах. Цей прорив може стати ключовим у підвищенні продуктивності зеленого водню, що є екологічно чистим та стійким джерелом енергії.
Інноваційний підхід до дизайну каталізатора
Розробка RZW базується на стратегічному поєднанні трьох елементів: рутенію (Ru), цинку (Zn) та вольфраму (W). Кожен з них виконує специфічну роль у забезпеченні високої активності та стабільності каталізатора:
Рутеній (Ru): Відомий своєю високою каталізаторною активністю в OER, але схильний до корозії в кислих умовах.
Цинк (Zn): Виконує роль "жертовного" елемента, який розчиняється під час реакції, сприяючи покращенню електронної структури каталізатора.
Вольфрам (W): Має електронно-акцепторні властивості, стабілізує структуру каталізатора після розчинення цинку.
Під час OER цинк швидко розчиняється, вивільняючи електрони, які захоплюються вольфрамом. Це призводить до накопичення електронів на сайтах рутенію, підвищуючи його каталізаторну активність. Незважаючи на втрату цинку, структура каталізатора залишається стабільною завдяки вольфраму, який підтримує активні конфігурації рутенію.
Експериментальні підтвердження та перспективи
Для детального вивчення властивостей RZW дослідники застосували сучасні методи, такі як рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (XPS), високороздільна трансмісійна електронна мікроскопія (HRTEM) та теоретичні розрахунки функціоналу густини (DFT). Результати показали, що швидке розчинення цинку сприяє покращенню електронного переносу, що, в свою чергу, підвищує активність та довговічність каталізатора.
Цей прорив відкриває нові можливості для розробки ефективних та економічно вигідних каталізаторів для виробництва зеленого водню. Використання стратегічного легування та "жертовних" металів, таких як цинк, може стати ключем до створення нових матеріалів з покращеними характеристиками для енергетичних застосувань.