Может ли один-единственный электрон изменить будущее чистой энергии? Новый научный обзор утверждает: да. Ученые обратились к квантовому миру — а именно, к спину электрона — чтобы создать высокоэффективные катализаторы для зеленой энергетики. Оказывается, если управлять вращением электронов в материалах катализаторов, можно ускорить ключевые реакции: восстановление кислорода, его выделение, превращение углекислого газа и фиксацию азота. В исследовании описаны методы, которые позволяют тонко настраивать каталитические свойства — от внедрения атомов примесей до воздействия магнитным полем. Это серьезный шаг к созданию умных, быстрых и экологичных катализаторов для энергетики будущего.

Топливные элементы, металл-воздушные батареи и электролизеры — основа углеродно-нейтрального мира. Но реакции в этих устройствах часто идут медленно и с потерями энергии, особенно когда требуется перенос нескольких электронов. Раньше при разработке катализаторов почти не учитывали спин электронов — хотя именно он определяет, как атомы соединяются и реагируют. Теперь ученые поняли: если управлять спиновыми состояниями на поверхности катализатора, реакции станут быстрее и избирательнее.

Спин электрона — это квантовая характеристика, которую можно грубо представить как вращение частицы вокруг своей оси (хотя на самом деле электрон не «крутится» в классическом смысле). Он бывает двух типов: „вверх“ и „вниз“. От спинов электронов в материале зависят его магнитные свойства и то, как он взаимодействует с другими веществами.

В обзоре, опубликованном в журнале eScience, команда под руководством Лю Линя из Пекинского педагогического университета систематизировала последние открытия в спиновой электрохимии. Исследователи разобрали, как спин влияет на четыре ключевые реакции:

• восстановление кислорода (ORR),
• выделение кислорода (OER),
• восстановление CO₂ (CO₂RR),
• восстановление азота (NRR).

Они выделили шесть стратегий управления спином: от изменения структуры кристалла до применения магнитного поля.

Раньше спин электрона изучали только в квантовой физике, но теперь он стал инструментом для химиков. Если переключать катализатор между высокоспиновым и низкоспиновым состоянием, можно изменить сродство к промежуточным продуктам реакции, ускорить перенос электронов и снизить энергетический барьер. Для этого используют:

• создание дефектов в материале,
• введение примесей,
• магнитное воздействие,
• изменение структуры.

Современные методы — например, мессбауэровская спектроскопия или рентгеновская абсорбция — позволяют наблюдать за спином в реальном времени.

Уже есть практические результаты: если добавить марганец в RuO₂, магнитные свойства и эффективность OER растут. А если воздействовать магнитным полем на кобальтовый катализатор, активация кислорода в ORR улучшается.

Спин электрона — это новый способ управлять катализом на атомном уровне, — говорит Лю Линь. — Мы можем создавать более эффективные, избирательные и стабильные катализаторы. Это не просто новый инструмент, а новый взгляд на катализ.

Управление спином пригодится в разных областях:

• Водородная энергетика — более дешевое и эффективное выделение кислорода.
• Переработка CO₂ — избирательное получение топлива и химикатов.
• Топливные элементы — повышение их долговечности и КПД.

Следующий шаг — научиться наблюдать за спином в реальном времени и наладить массовое производство спиновых катализаторов.

Этот подход может серьезно удешевить технологии зеленой энергетики.

Например:

• Водородное топливо станет дешевле, если OER (самая затратная стадия электролиза) ускорится на 10-20%.
• Металл-воздушные батареи  (например, цинк-воздушные) смогут дольше работать без потери мощности.
• Переработка CO₂ в метанол или этилен станет выгоднее — сейчас на это тратится слишком много энергии.

Но главное — спиновые катализаторы могут снизить зависимость от редких металлов вроде платины и иридия.

Пока большинство экспериментов проводят в идеальных лабораторных условиях — с чистыми материалами и при комнатной температуре. В реальных устройствах (например, в топливных элементах) катализаторы работают при высоких температурах и давлениях, в агрессивных средах. Не факт, что спиновые эффекты сохранят эффективность в таких условиях. Кроме того, методы диагностики спиновых состояний (вроде синхротронной спектроскопии) слишком дороги для массового применения.

Ранее ученые заявили, что спин электронов влияет на движение протонов в живых системах.