Хранение водорода — одна из ключевых задач на пути к «зеленой» энергетике. Одним из перспективных материалов для компактного и безопасного аккумулирования водорода является магний, способный связывать до 7,6% водорода по массе. Однако у этого материала есть существенный недостаток: он слишком медленно поглощает и выделяет водород, особенно при умеренных температурах. Для решения этой проблемы ученые активно исследуют различные катализаторы, которые могут ускорить эти процессы.

В недавней работе, опубликованной в журнале Journal of Physics: Energy (IF=6.3), российские и южноафриканские исследователи предложили использовать в качестве катализаторов необычные материалы — производные металлоорганических каркасных соединений (MOF), синтезированных на основе итаконовой кислоты (IA) и солей никеля или кобальта (Ni-IA и Co-IA).

Суть исследования заключалась в термической обработке приготовленных MOF. В результате образовывались наночастицы сплава кобальта и никеля (CoNi), окруженные пористой углеродной оболочкой — так называемые структуры типа “ядро-оболочка” (CoNi@C; рис. 1).

Рис.1: Типичные ПЭМ-изображения образца CoNi@C

Полученные таким образом продукты термического разложения и исходные MOF были использованы в качестве катализаторов синтеза гидрида магния методом высокоэнергетического реакционного помола смеси порошка магния с катализатором (10% по массе) в водороде под давлением 25 бар. Кинетику поглощения водорода определяли по снижению давления в реакторе.

Результаты оказались интересными. Как исходные MOF, так и их термически обработанные производные (CoNi@C) значительно ускорили гидрирование магния — в девять раз по сравнению с магнием без катализатора. Этот эффект оказался даже сильнее, чем у других известных катализаторов, таких как наночастицы Pd на MOF UiO-66 или Ni на графеноподобном материале.

Было замечено одно неожиданное явление. При использовании термически необработанных MOF (Co-IA + Ni-IA) во время пауз между этапами помола, когда реактор охлаждался до комнатной температуры, поглощение водорода продолжалось еще несколько часов. Это указывает на то, что промежуточные продукты разложения MOF, образующиеся в процессе помола под действием механических ударов и локального нагрева, являются еще более эффективными катализаторами, чем конечный продукт — CoNi@C. Возможно, именно эти промежуточные формы создают активные центры для диссоциации водорода в виде зародышей каталитических наночастиц CoNi, внедряющихся в частицы магния.

Таким образом, работа демонстрирует большой потенциал MOF и их производных в качестве катализаторов гидрирования магния для систем хранения водорода. Они не только эффективны, но и относительно недороги, поскольку основаны на никеле и кобальте, а не на благородных металлах. Возможно, самым эффективным катализатором является не конечный продукт термического разложения MOF, а промежуточные соединения, образующиеся в ходе самого процесса гидрирования. Это открывает новые направления для дальнейших исследований в области создания высокоэффективных и экономичных материалов для хранения водорода.

Над проектом, выполняемым в рамках Программы ФЦП по научному сотрудничеству между Российской федерацией и странами Африки (соглашение 075-15-2024-654), работали ученые из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка), Университета Западно-Капской провинции (ЮАР) и других институтов. Исследование опубликовано в Journal of Physics: Energy, 2025, 7, 045016, IF=6.3

https://doi.org/10.1088/2515-7655/adfd88