Scientists Create New Material for Converting Water into Fuel

Русский текст

Международный научный коллектив, включающий ученых Южного федерального университета (ЮФУ), разработал инновационный и экономически эффективный материал для производства водорода из воды. Подробности исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Ученые ЮФУ подчеркнули, что водород считается одним из наиболее многообещающих и экологически чистых источников энергии. Его производство включает электрохимическое расщепление воды на водород и кислород, процесс, который требует катализаторов для ускорения реакции.

Михаил Солдатов, доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ, отметил, что современные методы получения кислорода в процессе электролиза воды обычно используют иридий (Ir) в качестве катализатора. Однако иридий является редким и дорогим элементом, его добыча требует значительных затрат энергии и средств.

Исследователи из ЮФУ в сотрудничестве с китайскими коллегами предложили заменить иридий рутением. Рутений в 5-10 раз более распространен в земной коре и уже активно применяется в различных отраслях, включая медицину, электронику и химию. Для оптимизации характеристик нового катализатора в его состав были добавлены небольшие количества других элементов.

Солдатов объяснил концепцию, сравнив катализатор с магнитом, который должен временно удерживать продукты реакции. Если взаимодействие слишком сильное, промежуточные частицы задерживаются, замедляя процесс; если слишком слабое, они не удерживаются вовсе. “Золотая середина” была достигнута за счет тщательной настройки полярности связи рутения-кислорода (Ru–O) путем добавления атомов редкоземельных металлов, что позволило оптимизировать силу взаимодействия для легкого и стабильного протекания реакции выделения кислорода.

Ученый добавил, что новый катализатор способствует уменьшению энергозатрат при переработке воды в топливо. Кроме того, он сокращает износ оборудования и снижает нагрев компонентов установки, обеспечивая более стабильный процесс выделения кислорода.

Солдатов подчеркнул, что новый катализатор значительно снижает перенапряжение для реакции выделения кислорода – до десятков милливольт. Это крайне важно для водородной энергетики, где даже минимальные изменения в милливольтах имеют значение. Достигнутое значение перенапряжения в 214 мВ превосходит показатели большинства существующих катализаторов на основе оксида рутения, которые, к тому же, демонстрируют меньшую активность и стабильность.

В перспективе исследователи университета совместно с партнерами намерены продолжить работу над созданием катализаторов для других ключевых технологических процессов.

Данное исследование получило поддержку от Российского научного фонда (проект № 24-43-00215) и соответствует целям Фронтирной лаборатории “Рентгеноспектральной нанометрологии” МИИ ИМ ЮФУ. Лаборатория была создана в рамках стратегического проекта ЮФУ “Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов под управлением искусственного интеллекта”, входящего в программу “Приоритет-2030” (национальный проект “Молодежь и дети”).

English Text

An international scientific team, including researchers from Southern Federal University (SFU), has developed an innovative and cost-effective material for producing hydrogen from water. The research findings were published in Nature Communications.

SFU scientists highlighted that hydrogen is considered one of the most promising and environmentally friendly energy carriers. Its production involves the electrochemical splitting of water into hydrogen and oxygen, a process that requires catalysts to accelerate the reaction.

Mikhail Soldatov, an associate professor at SFU`s International Research Institute of Intelligent Materials, noted that current methods for oxygen evolution during water electrolysis typically employ iridium (Ir) as a catalyst. However, iridium is a rare and expensive element, and its extraction is both energy-intensive and costly.

Researchers from SFU, in collaboration with Chinese colleagues, proposed replacing iridium with ruthenium. Ruthenium is 5–10 times more abundant in the Earth`s crust and is widely utilized in various sectors, including medicine, electronics, and the chemical industry. To optimize the properties of the new catalyst, small amounts of other elements were incorporated into its composition.

Soldatov explained the concept by likening the catalyst to a magnet that must temporarily hold reaction products. If the interaction is too strong, intermediate particles cling too tightly, slowing the process; if it`s too weak, they aren`t retained sufficiently. A “golden mean” was achieved by finely tuning the polarity of the ruthenium-oxygen (Ru–O) bond through the addition of rare-earth metal atoms, optimizing the interaction strength for an easy and stable oxygen evolution reaction.

The scientist added that the new catalyst helps reduce energy consumption in water-to-fuel conversion systems. Furthermore, it decreases equipment wear and lowers the heating of system components, ensuring a more stable oxygen evolution process.

Soldatov emphasized that the new catalyst significantly reduces the overpotential for the oxygen evolution reaction by tens of millivolts, which is critical for hydrogen energy where every millivolt matters. The achieved overpotential value of 214 mV surpasses that of most existing ruthenium oxide-based catalysts, which are typically less active and stable.

Moving forward, university specialists and their collaborators plan to focus on developing catalysts for other crucial technological processes.

This research was supported by the Russian Science Foundation (Project No. 24-43-00215) and aligns with the objectives of the Frontier Laboratory of X-ray Spectral Nanometrology at SFU`s International Research Institute of Intelligent Materials. This laboratory was established as part of SFU`s strategic project “Full-cycle technologies for express development of functional materials managed by artificial intelligence” under the “Priority 2030” program (national project “Youth and Children”).