Исследователи из Северо-Западного университета в США совместно с командой из Toyota Research Institute (TRI) представили инновационный метод поиска эффективных и доступных катализаторов для производства «зелёного» водорода. Эта разработка открывает новые горизонты в области экологически чистых энергетических технологий, позволяя заменить дорогостоящие и редкие материалы, такие как иридий, более доступными и устойчивыми альтернативами. Основой этого прорыва стала так называемая мегабиблиотека — микрочип, на котором размещены миллионы наночастиц с разными химическими составами, что значительно расширяет возможности поиска подходящих материалов.
Иридий традиционно используется в качестве катализатора при процессе выделения кислорода (OER) в электролизе воды. Несмотря на высокую эффективность, его цена достигает до 5000 долларов за 30 грамм, а запасы крайне ограничены, что тормозит масштабное развитие водородной энергетики. В связи с этим ученые создали уникальную мегабиблиотеку, включающую 156 миллионов наночастиц из комбинаций распространенных металлов: рутения, кобальта, марганца и хрома. Такой массив данных позволяет систематически и быстро искать заменители редких элементов, что раньше представляло собой очень трудоемкую и затратную задачу.
Используя роботизированные сканеры, команда исследователей протестировала свойства всех наночастиц за очень короткое время, что позволило выявить оптимальный состав — оксидный материал Ru52Co33Mn9Cr6. Этот новый катализатор не только превосходит эффективность традиционных иридийсодержащих материалов, но и стоит примерно в 16 раз дешевле. Важным преимуществом является его высокая стабильность — он работал более 1000 часов в агрессивных кислотных условиях, сохраняя высокую активность. Это означает, что новый материал способен выдерживать длительные эксплуатационные нагрузки, что критично для практического применения.
Профессор Чед А. Миркин, руководитель проекта, подчеркивает, что важность данной технологии заключается не только в быстроте поиска новых материалов, но и в возможности одновременного всего лишь за сутки протестировать миллионы вариантов в условиях, близких к реальности. Такой подход значительно ускоряет научный прогресс и облегчает разработку устойчивых решений.
Мегабиблиотеки и связанная с ними методики широко открывают возможности не только для поиска катализаторов, но и для разработки новых материалов для батарей, биомедицинских устройств, оптических компонентов и микроэлектроники. В сочетании с алгоритмами машинного обучения и искусственного интеллекта современные ученые получают мощный инструмент для обработки огромных объемов экспериментальных данных, предсказания свойств новых соединений и ускорения внедрения инновационных решений. По словам профессора Миркина, подобные технологии позволяют находить оптимальные материалы без необходимости использования самых редких и дорогих элементов, что значительно снижает издержки и делает новые разработки более доступными.
Таким образом, активное развитие технологий мегабиблиотек и информационных моделей способствует формированию нового этапа в материаловедении и энергетике, делая возможным создание более экологичных, экономичных и стабильных решений для устойчивого будущего. Уже сегодня ученые используют эти инструменты для поиска все более совершенных материалов, что в перспективе может привести к более широкому распространению водородной энергетики, уменьшению экологического следа и переходу к более зеленым источникам энергии.
