Учёные из Северо-Западного университета в США совместно с инженерами из Toyota Research Institute (TRI) создали инновационный метод поиска эффективных и доступных катализаторов для производства «зелёного» водорода. Эта разработка становится особенно актуальной в условиях растущего спроса на экологически чистую энергию и необходимости сокращения использования дорогостоящих редких металлов. Основная идея заключается в использовании мегабиблиотеки — уникального микрочипа, на поверхности которого размещены миллионы наночастиц с различным химическим составом. Такой подход существенно ускоряет поиск новых материалов, способных заменить дорогие и редкие металлы, такие как иридий, который традиционно применяется в процессах электролиза воды.
Иридий, несмотря на свою эффективность, обладает высокой стоимостью — примерно 5000 долларов за 30 грамм, а запасы этого металла ограничены, что мешает масштабному внедрению технологий водородной энергетики. Для преодоления этой проблемы учёные создали мегабиблиотеку, которая включает 156 миллионов наночастиц из комбинаций распространённых металлов: рутения, кобальта, марганца и хрома. В рамках масштабных испытаний с использованием роботизированных сканеров все наночастицы были быстро протестированы на способность катализации реакции выделения кислорода (OER), что является ключевым этапом производства водорода методом электролиза.
Результатом огромных исследований стал кандидат наименее редкого и наиболее доступного состава — оксидный материал с формулой Ru52Co33Mn9Cr6. Этот катализатор не только показал превосходшую эффективность по сравнению с традиционными иридийсодержащими материалами, но и был заметно дешевле — его стоимость примерно в 16 раз ниже. Лабораторные испытания продемонстрировали стабильную работу нового катализатора более 1000 часов в кислой среде, при сохранении высокой активности и устойчивости к агрессивным условиям. Такие показатели открывают широкие перспективы для использования разработанного материала в коммерческих системах электролиза.
Профессор Чед А. Миркин, руководитель этого проекта, подчеркивает, что использование мегабиблиотек позволяет за весьма короткое время находить действительно эффективные материалы из огромных масс вариантов. Этот подход значительно ускоряет процесс разработки новых катализаторов и обеспечивает возможность их испытания под условия, близкие к реальным эксплуатационным. Технология помогает не только в создании новых материалов для водородной энергетики, но и в разработке инновационных решений для батарей, медицинских устройств, катализаторов для химической промышленности и других областей.
Использование алгоритмов машинного обучения в анализе больших данных позволяет учёным прогнозировать свойства новых материалов, значительно сокращая время разработки. По словам профессора Миркина, такие инновационные подходы делают возможным создание более дешёвых, эффективных и экологически безопасных решений без необходимости опоры на редкие и дорогие элементы. Это не только способствует развитию «зелёной» энергетики, но и открывает новые горизонты для всей материальной науки и технологий, делая их более доступными и устойчивыми к будущим вызовам. В результате современные исследования и разработки в области материаловедения и химии переходят на новый уровень, объединяя скорость, эффективность и экономическую целесообразность.
