Дефекты аморфного углерода могут заменить платину при получении водорода

Исследователи Индийского технологического института в Гандинагаре с помощью компьютерного моделирования изучили монослойный аморфный углерод как возможный катализатор реакции выделения водорода. В отличие от идеально упорядоченного графена, такой материал содержит множество колец неправильной формы и локальных дефектов. Именно они создают участки с подходящими электронными свойствами для реакции.

Работа опубликована в npj 2D Materials and Applications. Авторы объединили расчёты на основе теории функционала плотности с машинно-обучаемым межатомным потенциалом MACE, чтобы проверить гораздо больше атомных конфигураций, чем позволил бы один традиционный метод.

Более тысячи потенциальных активных центров

Команда проанализировала 1183 различных участка поверхности. Примерно у 15% из них расчётная свободная энергия адсорбции водорода оказалась ниже +0,25 электронвольта. Значение, близкое к нулю, считается благоприятным: атом водорода должен закрепиться достаточно прочно для реакции, но не настолько, чтобы продукт не смог покинуть поверхность.

Наиболее перспективные центры возникали рядом с определёнными сочетаниями пяти-, шести- и семичленных углеродных колец. Это означает, что каталитические свойства определяются не примесью дорогого металла, а локальной геометрией самой углеродной сетки.

Почему дефекты становятся преимуществом

Упорядоченный графен химически сравнительно инертен. В аморфном монослое нарушенная топология перераспределяет электронную плотность и создаёт множество неодинаковых центров. Некоторые из них связывают промежуточные частицы реакции почти так, как это делает платина.

Потенциальное преимущество материала — доступность углерода и отсутствие дефицитных благородных металлов. Если расчётные результаты подтвердятся в эксперименте, подход может помочь снизить стоимость электролизёров для производства водорода из воды.

Что ещё предстоит проверить

Исследование является вычислительным. Авторы не сообщают о готовом электроде или промышленной установке. Необходимо синтезировать материал с контролируемой структурой, подтвердить активность измерениями и оценить долговечность в реальном электролите.

Читайте также: Фотокатализ делает перекись водорода без электричества.

Отдельная задача — научиться воспроизводимо создавать именно те локальные дефекты, которые расчёты признали наиболее эффективными. Работа даёт карту перспективных атомных конфигураций и сокращает число вариантов для дальнейших лабораторных испытаний.