Ученые МФТИ нашли способ удешевить производство «зеленого» водорода с помощью марганца и неодима

Исследовательская группа Московского физико-технического института предложила инновационное каталитическое решение, которое способно снизить затраты на получение экологически чистого водорода из воды. В основе разработки лежит гетероструктурный композит на основе селенида марганца и оксида неодима — комбинация доступных элементов, демонстрирующая высокую активность в процессах электролиза и открывающая путь к отказу от дорогостоящих благородных металлов.

Водородная энергетика сегодня воспринимается как один из ключевых векторов декарбонизации, ведь сжигание водорода не оставляет углеродного следа, а единственным побочным продуктом реакции выступает водяной пар. Тем не менее, широкомасштабное внедрение этой технологии сдерживается главным препятствием — экономической неэффективностью существующих методов производства. Наиболее чистым с экологической точки зрения способом остается электролиз, при котором молекула воды под действием электрического тока распадается на газообразные водород и кислород. Однако для того, чтобы этот процесс протекал с приемлемой скоростью и не требовал чрезмерных энергозатрат, необходимы катализаторы, снижающие активационный барьер реакции. Наилучшими в этом отношении выступают платина и другие металлы платиновой группы, но их редкость и высокая стоимость делают промышленное применение нерентабельным, что стимулирует мировой научный поиск доступных альтернатив.

Коллектив ученых МФТИ представил в качестве такой альтернативы композитный материал, где компоненты не просто смешаны, а образуют гетероструктуру с развитой межфазной границей. Такая архитектура обеспечивает синергетический эффект: на стыке селенида марганца и оксида неодима возникают электронные перестройки, активирующие поверхность и облегчающие протекание электрохимических превращений. Сулейман Аллахвердиев, профессор кафедры молекулярной и клеточной биологии ФБМФ МФТИ, выступающий соавтором работы, сообщил, что в ходе лабораторных тестов материал показал впечатляющие результаты при работе в щелочной среде. Для создания плотности тока 10 мА/см² катализатору потребовалось перенапряжение всего 83 мВ — столь низкое значение указывает на минимальные потери энергии при генерации водорода. При повышении плотности тока до 100 мА/см² требуемое перенапряжение увеличилось лишь до 152 мВ, а сам образец сохранил свою активность неизменной на протяжении 80 часов непрерывного эксперимента, что подтверждает его высокую устойчивость к дезактивации.

Авторы связывают перспективные характеристики с особенностями микроструктуры материала. Во-первых, на границе раздела двух фаз возникает внутреннее электрическое поле, облегчающее транспорт заряженных частиц и ускоряющее кинетику выделения водорода. Во-вторых, пористая морфология композита обеспечивает максимальный контакт с электролитом, многократно увеличивая число активных сайтов на единицу геометрической поверхности, где непосредственно происходит реакция. Эти два фактора в совокупности позволяют достичь высокой производительности без использования дорогих компонентов.

Следует подчеркнуть, что на данный момент результаты получены в лабораторных условиях на экспериментальных образцах, и до внедрения в промышленность предстоит преодолеть еще немало этапов. Однако фундаментальное значение исследования заключается в демонстрации принципиальной возможности создания недорогих каталитических систем на основе широко распространенных элементов. В случае успешного завершения последующих испытаний на долговременную стабильность, возможность масштабирования и экономическую целесообразность, подобные материалы могут лечь в основу электролизеров нового типа, приближая реальность массового производства дешевого «зеленого» водорода.