Сотрудники Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, НИЦ «Курчатовский институт», Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН и Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина получили моноатомный рутений-содержащий электрокатализатор реакции выделения водорода (РВВ) 2Н+/Н2.
Уникальность его трёхмерной структуры и свойств заключается в способности образовывать иммобилизированные монослои на поверхности практически важных углеродных материалов, что позволяет сделать процессы и устройства, основанные на использовании высокочистого водорода, более экономически эффективными и уменьшить на несколько порядков расход редкого металла группы платины. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Dalton Transactions.
Современная водородная энергетика предлагает ключевую альтернативу углеродному сырью, снижая выбросы углекислого газа и других парниковых газов за счёт использования высокочистого молекулярного водорода, получаемого из воды или кислых растворов. Высокочистый молекулярный водород рассматривается как «зелёное» топливо и важный реагент для современной химической промышленности. Но технология его производства по-прежнему остается дорогой. Существенное (на несколько порядков) уменьшение расхода платиновых металлов в полупромышленных электролизерах воды, топливных элементах и электрохимических водородных компрессорах/концентраторах позволит сделать эти процессы и устройства, основанные на использовании высокочистого водорода, более доступными. Поэтому создание высокоэффективных иммобилизированных металлокомплексных электрокатализаторов реакции выделения водорода 2Н+/Н2 является одной из важнейших задач современной химии, водородной энергетике и высокотехнологичной химической промышленности.
Комплексы рутения заданного строения и функциональности являются перспективными моноатомными электрокатализаторами. Название этого металла группы платины Ruthenium обусловлено историческим латинским наименованием нашей страны Ruthenia. Он был открыт в 1844 году профессором Казанского университета Карлом Клаусом. Установлено, что полученные новые инновационные моноатомные электрокатализаторы — производные этого редкого металла — могут быть использованы вместо металлической платины, как наиболее распространённого катодного электрокатализатора этой практически-важной окислительно-восстановительной реакции.
Получение и иммобилизация монослоёв клеточных комплексов рутения как моноатомных электрокатализаторов реакции выделения водорода
Исследователи в Москве и Казани создали первые высокоэффективные моноатомные рутений-содержащие электрокатализаторы получения высокочистого водорода из воды и водных растворов используя постсинтеческую функционализацию хлорсодержащих клеточных комплексов рутения. Результаты исследования прокомментировала младший научный сотрудник лаборатории нанобиоматериалов и биоэффекторов для тераностики социально значимых заболеваний ИОНХ РАН кандидат химических наук Мария Теплоногова: «На первом этапе был разработан новый подход к получению таких реакционноспособных производных этого кинетически инертного иона металла, использующий ион рутения как матрицу. Один из полученных металлокомплексов этого типа был выбран для направленной функционализации на достижение сорбционных характеристик, позволяющих осуществить его сильную физическую адсорбцию на поверхность ряда практически-важных углеродных материалов. По данным электрохимических и электрокаталитических методов исследований, полученный таким образом функциональный органо-неорганический каталитический материал с иммоболизованным монослоем такого комплекса рутения является эффективным электрокатализатором получения водорода в гомогенных растворах».
По словам авторов, молекулярный дизайн синтезированного моноатомного рутений-содержащего электрокатализатора и успешное получение гибридных каталитических материалов на его основе, использующих его монослойную адсорбцию вместо нанесения наноразмерных порошков платины, обычно используемых в качестве электрокатализаторов РВВ, позволяет значительно улучшить качество углеродсодержащих катодов генераторов высокочистотого водорода и на несколько порядков снизить расход металла группы платины.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (№ 075-15-2025-584) в рамках программы Научного центра мирового уровня «Центр рационального использования редкометального сырья».
Источник: пресс-служба Минобрнауки России.