Недавно исследовательская команда под руководством профессора Сун Бо из Института композитных материалов и конструкций Космического института ХПУ, совместно с командой профессора Цзинь Суна из Университета Висконсина в Мэдисоне (США), достигла значительного прогресса в области электрокатализа водного разложения. Исследовательская группа использовала инновационную технологию маркировки водородными изотопами в сочетании с электрохимическими методами анализа, что позволило точно раскрыть микродинамическую механику переноса протонов в реакции разложения воды. Данное открытие предоставило новые теоретические инструменты для разработки эффективных катализаторов для производства водорода. Результаты исследования были опубликованы в последнем номере журнала Nature Chemistry под названием «Изотоп-зависимый анализ Тафеля для изучения кинетики переноса протонов в электрокатализе разложения воды» (Isotope-dependent Tafel analysis probes proton transfer kinetics during electrocatalytic water splitting).
Водородная энергия рассматривается как ключевой энергоноситель для достижения углеродной нейтральности, однако одним из основных ограничений технологии электрокаталитического разложения воды для производства водорода является низкая эффективность реакции. На протяжении долгого времени исследователи сталкивались с трудностями в прямом наблюдении за поведением переноса протонов (ионов водорода) на границе электрод-раствор в процессе разложения воды, что серьёзно ограничивало возможности оптимизации конструкции катализаторов. Для решения этой научной проблемы исследовательская группа заменила атомы водорода (H) в реакционном растворе стабильным изотопом дейтерием (D), который в два раза тяжелее, что позволило использовать различия в нулевых энергиях изотопов для изучения кинетики переноса протонов. Такая изотопная замена значительно снижает частоту колебаний связи O-H/O-D, что позволяет точно фиксировать изменения энергетического барьера при переносе протонов через границу электрод-раствор.
Исследовательская группа интегрировала эффект изотопов с традиционным электрохимическим анализом Тафеля: когда константа скорости реакции и активационные барьеры зависят от изотопа, был разработан новый метод анализа изотоп-Тафеля (Isotope-dependent Tafel Analysis), который позволяет точно определить, участвует ли перенос протонов в решающем шаге реакции. Данный метод преодолел ограничения традиционного анализа изотопных эффектов, подверженных влиянию термодинамических факторов, и теперь способен не только отслеживать процесс миграции протонов через границу, их адсорбцию на поверхности, но и точно выделить вклад переноса протонов в общую кинетику реакции, различая электрохимические и химические характеристики решающих шагов. При тестировании 6 катализаторов для выделения водорода и 21 катализатора для выделения кислорода исследовательская группа продемонстрировала универсальность нового анализа изотоп-Тафеля для определения характеристик решающего шага реакции. Данное исследование предложило новые стандарты и решения для разработки и оптимизации производительности электролизеров следующего поколения.
Изменение кинетики реакции выделения водорода и наклона Тафеля до и после замены изотопов H/D.
ХПУ является первым исполнителем и корреспондентским учреждением данной научной работы. Соответствующими (корреспондентскими) авторами статьи являются профессор Сун Бо, профессор Цзинь Сун, а также молодой научный сотрудник Шэн Хунъюань из Фуданьского университета. Первым автором статьи выступил выпускник докторантуры Космического института ХПУ Хуан Цзиньчжэнь. Данное исследование было выполнено при финансовой поддержке и получило финансирование от Национального фонда естественных наук Китая, Центра передовых научных исследований при Министерстве образования, проекта «Ведущие гуси» (头雁) провинции Хэйлунцзян, а также фондов Чжэнчжоуского научно-исследовательского института ХПУ.
Ссылка на статью:
https://doi.org/10.1038/s41557-025-01934-5