Исследования современных учёных постоянно приводят к революционным открытиям, особенно в области энергетики и материаловедения. В последней разработке коллег из Северо-Западного университета (США) и Toyota Research Institute (TRI) появилась новая методика поиска эффективных катализаторов для производства «зелёного» водорода — экологически чистого и возобновляемого источника энергии. Этот прорыв особенно актуален в свете глобальных усилий по снижению выбросов и переходу на устойчивые источники энергии. В центре внимания — поиск заменителей дорогостоящего и редкого иридия, использующегося для катализаторов на стадии выделения кислорода (OER) при электролизе воды.
Исторически стоимость иридия составляла до $5000 за 30 грамм, что значительно ограничивало его использование в масштабных энергетических систем. Ограниченные запасы и высокая цена создавали необходимость поиска альтернативных материалов. В ответ на эти задачи ученые разработали инновационную мегабиблиотеку — микрочип, на котором размещены миллионы наночастиц с разными химическими смесями. Эта микросхема содержит 156 миллионов комбинаций наночастиц, созданных из распространённых металлов, таких как рутений, кобальт, марганец и хром. Такой огромный массив данных позволяет осуществлять экспресс-тестирование и подбор перспективных материалов.
Использование роботизированных сканеров существенно ускорило процесс исследования. Все наночастицы проходили автоматическое тестирование их свойств в реакции OER. В результате исследования выделили уникальный оксидный катализатор с составом Ru52Co33Mn9Cr6. Лабораторные проверки продемонстрировали, что этот материал превосходит по активности традиционные иридийсодержащие катализаторы, а его стоимость — примерно в 16 раз ниже. Помимо этого, новый катализатор проявил стабильность и высокую эффективность в течение более чем 1000 часов работы в агрессивной кислотной среде, что является важным фактором для промышленных применений.
Профессор Чед А. Миркин, руководитель проекта, подчеркивает, что такие технологические подходы позволяют учёным преодолевать барьеры традиционных методов поиска новых материалов. Благодаря мегабиблиотекам и автоматической экспертизе в короткие сроки можно опробовать сотни миллионов вариантов, что ранее было невозможно. Такой метод не только ускоряет разработку новых катализаторов, но и позволяет проверять их свойства в условиях, максимально приближенных к реальным рабочим средам.
Более того, возможность быстрого тестирования и разработки новых материалов не ограничивается только катализаторами для электролиза воды. Эта технология широко применяется в создании новых типов батарей, аккумуляторов, биомедицинских устройств и электроники. Специалисты используют алгоритмы машинного обучения и большие массивы данных для прогнозирования свойств материалов ещё до их синтеза, что значительно снижает затраты и сроки разработки инновационных решений. В перспективе, по словам профессора Миркина, такой подход обеспечит появление более эффективных, доступных и экологичных технологий, что станет важным шагом в переходе к устойчивому развитию и борьбе с климатическими изменениями.