Учёные создали катализатор для получения водорода из аммиака, который «нарушил» законы физики

Учёные из Великобритании столкнулись с загадочным явлением: предложенный ими катализатор для получения водорода из аммиака повёл себя необъяснимым образом. Обычно катализаторы снижают свою активность в процессе работы, но новый, напротив, становился всё эффективнее. Это заставило исследователей изучить атомарную структуру вещества, которая, по всем признакам, нарушала законы физики.

Источник изображения: University of Nottingham

Аммиак считается одним из наиболее энергоёмких носителей. Однако для его непосредственного использования необходимо разложить его на водород (H₂) и азот (N₂). Реакция протекает наиболее эффективно в присутствии катализатора, например рутения (Ru), который является редкоземельным элементом. Исследователи с химического факультета Ноттингемского университета, в сотрудничестве с Бирмингемским университетом и Кардиффским университетом, разработали катализатор на основе графитового стержня с нанометровыми вкраплениями рутения. Нанокластеры рутения вступали в контакт с аммиаком и разлагали его на водород и азот. Удивительно, но чем дольше катализатор работал, тем выше становилась его активность — реакция ускорялась.

«Мы были удивлены, обнаружив, что активность нанокластеров рутения в углероде на самом деле увеличивается со временем, что противоречит процессам дезактивации, обычно происходящим у катализаторов в ходе их использования. Это захватывающее открытие не может быть объяснено традиционными методами анализа, поэтому мы разработали микроскопический подход для подсчёта атомов в каждом нанокластере катализатора на различных стадиях реакции с использованием сканирующей просвечивающей электронной микроскопии. Мы выявили серию тонких, но значительных преобразований на атомном уровне», — рассказал научный сотрудник химического факультета доктор Ифань Чен (Yifan Chen).

Катализирующие элементы изготавливались методом магнетронного распыления, при котором плазма в магнитных полях распыляет мишень (в данном случае рутений) и напыляет материал на носитель (графитовый стержень). Такой метод обеспечивает размещение большинства атомов катализатора на поверхности носителя, где они могут взаимодействовать с сырьём, а не остаются глубоко внутри материала.

Изучение атомарной структуры катализатора показало, что в процессе работы рутений самопроизвольно собирается в нанокластеры площадью 2–3 нм². Эти нанокластеры формируют ступенчатые усечённые пирамидки. В таком виде катализатор постепенно увеличивает площадь активной поверхности, что объясняет его возрастающую эффективность.

«Это открытие задаёт новое направление в разработке катализаторов, демонстрируя стабильную, самосовершенствующуюся систему для получения водорода из аммиака как экологически чистого источника энергии. Мы ожидаем, что этот прорыв внесёт значительный вклад в развитие технологий устойчивой энергетики, поддерживая переход к будущему с нулевым углеродным выбросом», — подытожил профессор химического факультета Андрей Хлобыстов.