Катализатор может быстро получать кислород из воды и одновременно терять собственные атомы. В новой работе рутению помогли выдерживать эту нагрузку соседние атомы хрома. В лабораторной электролизной ячейке материал работал более 285 часов, а рост напряжения со временем оказался медленнее, чем у двух рутениевых образцов сравнения.
Исследование группы ICFO и её коллег опубликовано 12 ноября в Nature Materials. Его главный результат — способ управлять изменением электронного состояния отдельных атомов во время реакции. Хром здесь помогает сохранить активный рутениевый участок на поверхности материала.
Почему активный атом можно потерять
При электролизе электрическая энергия разделяет воду на водород и кислород. Реакция выделения кислорода создаёт для катализатора жёсткую окислительную среду. В кислых условиях рутений способен переходить в сильно окисленные растворимые формы и уходить с поверхности. Рабочих участков становится меньше, и для поддержания заданного тока требуется большее напряжение.
Авторы разместили рутений и хром на носителе из диоксида марганца так, чтобы часть соседних атомов была связана через кислород: Ru–O–Cr. Нужна именно локальная связь и взаимное влияние, а не просто присутствие двух металлов где-то в одном порошке.
Рентгеновские измерения во время работы показали противоположно направленные изменения электронных состояний рутения и хрома, частично обратимые при изменении условий. По интерпретации исследователей, такая связь распределяет окислительную нагрузку и сдерживает уход рутения в раствор. Это вывод из совокупности измерений и расчётов; отдельные атомы не наблюдали как механические детали, передающие друг другу нагрузку.
Два разных испытания
В ячейке с протонопроводящей мембраной при плотности тока 1 ампер на квадратный сантиметр напряжение росло со скоростью 0,28 милливольта в час на протяжении 285 часов. У рутениевого катализатора с одиночными атомами без такого соседства показатель составил 1,90 милливольта в час в 40-часовом опыте. Отношение скоростей — около 6,8. Длительность наблюдений различалась, поэтому результат не означает, что промышленный аппарат будет служить ровно в 6,8 раза дольше.
В отдельном опыте скорость растворения рутения была в 55,7 раза ниже, чем у образца сравнения. Эту цифру также нельзя превращать в множитель ресурса электролизёра: она описывает потерю металла в конкретных условиях испытания.
Практический интерес состоит в более бережном использовании активного металла. Если атом сохраняется в рабочем положении, материал дольше поддерживает реакцию. Работа показывает перспективный принцип проектирования катализаторов, но ещё не устанавливает срок службы большого промышленного стека, его стоимость или поведение при многолетней переменной нагрузке.
Авторская схема EASY: соседство Ru–O–Cr на носителе. Расположение условное; это не атомный снимок и не полная структура материала.
