Опубликовано: 2026-11-05
Исследовательская группа Корейского института передовых технологий KAIST под руководством профессора Джинву Ли разработала рутениевый электрокатализатор, который в лабораторных испытаниях обеспечил показатели производства водорода, сопоставимые с коммерческим платиновым образцом, при вчетверо меньшей массе драгоценного металла. О разработке KAIST сообщил 28 октября 2026 года. Научная статья была опубликована в Nature Communications ещё 22 сентября 2026 года; российское издание «Атомная энергия 2.0» рассказало о ней 3 ноября.
Получение водорода электролизом воды требует электрической энергии и эффективных электродных материалов. В реакции выделения водорода катализатор ускоряет превращение водородсодержащих частиц в молекулярный водород. Драгоценные металлы, прежде всего платина и металлы платиновой группы, широко используются из-за высокой активности, но их стоимость и ограниченность сырьевой базы повышают требования к рациональному использованию каждого атома.
Один из известных подходов — катализаторы на основе наночастиц. Однако часть металлических атомов внутри частиц недоступна для реагентов, поэтому используется не вся масса металла. Другой подход — изолированные одиночные атомы на поверхности носителя. Он позволяет увеличить долю доступных атомов, но иногда ограничивает реакции, для которых необходимы несколько близко расположенных активных центров.
Исследователи KAIST предложили промежуточную архитектуру atom-layer neighbors, которую можно описать как соседствующие группы атомов в слое толщиной один атом. В оптимизированном варианте три или четыре атома рутения находятся достаточно близко, чтобы совместно взаимодействовать с промежуточными продуктами электрохимической реакции, но не образуют крупную наночастицу. Это даёт возможность объединить высокую доступность металла с коллективной работой активных центров.
Для закрепления рутения использован носитель из карбида вольфрама WCₓ. На начальном этапе синтеза молекулярные взаимодействия помогают препятствовать укрупнению металлических частиц, а последующая термическая обработка обеспечивает устойчивое взаимодействие рутения с подложкой. Изменяя размер групп атомов, авторы сравнили каталитическую активность различных конфигураций и выбрали наиболее эффективные.
Важным оказался не только размер рутениевых ансамблей, но и их окружение. Гидроксильные группы на поверхности носителя способствуют формированию сети водородных связей между молекулами воды и облегчают перенос протонов в реакционной зоне. В результате эффективность определяется совместным действием активного металла, носителя и локальной водной среды.
Проверка проведена в электролизной ячейке с анионообменной мембраной, AEMWE. При напряжении 2,0 В и температуре 80 °C исследователи получили плотность тока 9,82 А/см². Для сравнения коммерческий катализатор Pt/C в приведённых авторами условиях обеспечил 9,77 А/см². При этом загрузка рутения составляла 0,10 мг/см², а загрузка платины в сравнительном образце — 0,40 мг/см².
Таким образом, формулировка «на 75% меньше драгоценного металла» относится к сравнению массовой загрузки рутения и платины в указанных лабораторных образцах. Это не означает автоматического сокращения стоимости электролизёра на 75%, поскольку на стоимость установки также влияют мембрана, электроды, корпус ячейки, системы управления, подготовка воды, энергопотребление и эксплуатационные расходы.
По сообщению KAIST, активность в расчёте на массу драгоценного металла оказалась приблизительно в четыре раза выше, чем у коммерческого платинового катализатора. В ходе 500-часового непрерывного испытания падение производительности нового материала было примерно вдвое меньше, чем у выбранного образца Pt/C. Это перспективный результат, но для промышленного применения потребуются более продолжительные ресурсные испытания и проверки в масштабируемых конструкциях.
Рутений сам относится к драгоценным металлам, поэтому новая архитектура не устраняет сырьевую зависимость полностью. Кроме того, сравнение лабораторных ячеек не равно оценке себестоимости килограмма водорода в коммерческой установке. На экономику влияют цены материалов, эффективность преобразования электричества, долговечность стека, доступность обслуживания и масштаб производства.
Для отрасли важен сам принцип повышения атомной эффективности: небольшие группы атомов могут обеспечивать активность, недоступную одиночным центрам, при меньшем расходе металла, чем в традиционных наночастицах. Авторы рассматривают такую архитектуру как платформу, потенциально применимую к другим электрокатализаторам. Перспективность для массового производства водорода будет определяться повторяемостью синтеза, стоимостью носителя и стабильностью при длительной эксплуатации.
Работа выполнена коллективом KAIST при участии исследователей нескольких южнокорейских институтов. Научная публикация «Stabilizing ruthenium atom layer neighbors through molecular and metal support interactions for water electrolyzers» вышла в журнале Nature Communications 22 сентября 2026 года, DOI 10.1038/s41467-026-78037-3. Институт KAIST опубликовал пресс-релиз 28 октября 2026 года, а русскоязычное сообщение появилось на портале «Атомная энергия 2.0» 3 ноября.
Источники:
«Атомная энергия 2.0», 3 ноября 2026 года: https://www.atomic-energy.ru/news/2026/11/03/169639
KAIST, официальный пресс-релиз от 28 октября 2026 года: https://pr.kaist.ac.kr/newsen/html/news/?mng_no=68750&mode=V
Nature Communications, научная статья от 22 сентября 2026 года: https://www.nature.com/articles/s41467-026-78037-3
Иллюстрация создана с помощью ИИ. Иллюстрация создана с помощью ИИ; не является фотографией KAIST или научной микроскопией. — ИИ-иллюстрация: группы атомов рутения на карбиде вольфрама для электролиза воды