Представьте себе мир, где автомобили ездят без бензина, а батарейки хранят энергию солнца и ветра. Таково наше близкое будущее, которое строят с помощью особых устройств: топливных элементов, металл-воздушных батарей и электролизеров. Но есть у них общая проблема — химические реакции внутри них идут медленно и теряют энергию. Особенно когда в деле участвует сразу несколько электронов.

Долгое время ученые, которые придумывают материалы для этих устройств, не обращали внимания на одну квантовую хитрость — спин электрона. А зря. Ведь именно спин решает, как атомы соединяются друг с другом. Теперь, с новыми знаниями, инженеры понимают: если научиться управлять спином на поверхности катализатора, можно заставить реакции ускориться и проходить именно так, как нам нужно, без лишних потерь.

В журнале eScience вышла работа, которая собрала воедино все последние открытия в этой области. Международная команда под руководством ученого Лин Лю из Пекинского педагогического университета выпустила подробный обзор. В нем они рассказали, как спин влияет на главные реакции современной энергетики: восстановление кислорода, выделение кислорода, превращение углекислого газа и получение аммиака. Они описали шесть способов управлять спином — от изменения кристаллической решетки до применения магнитных полей. По сути, они создали инструкцию для тех, кто хочет собирать катализаторы с ювелирной точностью.

Раньше об электронном спине писали только в учебниках по физике, а теперь он становится главным героем в науке о материалах. Оказывается, переключая спин между разными состояниями (например, с высокого на низкий), можно влиять на то, как промежуточные вещества прилипают к поверхности катализатора, ускорять передачу заряда и снижать энергетические барьеры. Для этого используют дефекты в структуре, добавление других атомов, магнитное воздействие и хитрую геометрию материалов. А заглянуть внутрь процесса помогают сложные приборы вроде мессбауэровской спектроскопии. И это не просто лабораторные игры: если добавить марганец в оксид рутения, материал начинает лучше работать в реакции выделения кислорода, а если приложить магнит к катализатору на основе кобальта, тот активнее принимает участие в восстановлении кислорода.

Сам Лин Лю говорит, что спин электрона дает нам новый, фундаментальный рычаг для настройки поведения катализатора. Это свежий взгляд на то, как вообще работает катализ. Инженеры уверены: если объединить идеи из спинтроники с электрокатализом, мы получим огромный скачок в технологиях получения чистой энергии.

Управление спином может перевернуть целые отрасли. В производстве водорода такие катализаторы сделают реакцию выделения кислорода дешевле и эффективнее. При улавливании углерода они помогут превращать CO2 в полезное топливо или химикаты с высокой точностью. А еще это шанс создать топливные элементы, которые прослужат намного дольше. Как только ученые научатся следить за спином в реальном времени и производить такие материалы в промышленных масштабах, мы получим основу для энергетики нового поколения.

До сих пор мы оптимизировали катализаторы методом проб и ошибок, меняя состав и форму частиц. Подключение спиновой степени свободы добавляет нам третье измерение. Это все равно что перейти от черно-белого телевизора к цветному.

Для науки ценность исследования в том, что мы наконец начинаем понимать, почему одни материалы работают лучше других на самом глубоком, квантовом уровне. Это дает предсказательную силу. Мы сможем не просто перебирать варианты в лаборатории, а моделировать нужное спиновое состояние на компьютере и синтезировать материал с заданными свойствами. Это колоссальная экономия времени и ресурсов.

В реальной жизни выигрыш еще очевиднее. Возьмем электролизеры для получения «зеленого» водорода. Сейчас до 40% затрат энергии уходит на то, чтобы преодолеть кинетические затруднения в реакции выделения кислорода. Спин-регулируемые катализаторы могут снизить эти потери, сделав водород дешевле. Или взять топливные элементы для электромобилей. Если мы сможем эффективнее восстанавливать кислород на катоде, то отпадет необходимость в огромных количествах платины. Это сделает автомобили доступнее, а добычу платины — менее вредной для экологии. Наконец, управление спином в реакциях с CO2 — это прямой путь к тому, чтобы превращать парниковый газ обратно в топливо, замыкая углеродный цикл.

Весьма амбициозная работа, но, как это часто бывает с обзорами на стыке дисциплин, авторы изрядно грешат излишним оптимизмом. Главный вопрос, который остается за скобками: а как отделить спиновые эффекты от обычных электронных или геометрических? Мы знаем, что введение дефектов или легирование меняет не только спиновое состояние, но и расстояние между атомами, ширину запрещенной зоны и работу выхода электрона. Где доказательства, что улучшение катализа — заслуга именно спина, а не сопутствующих структурных изменений?

Кроме того, методы, которые авторы предлагают для наблюдения за спином in situ — Mössbauer spectroscopy и XAS — дороги, сложны и доступны лишь единичным лабораториям мирового уровня. Как воспроизвести эти результаты в обычной химической лаборатории, где синтезируют реальные катализаторы? Без дешевых и надежных методов контроля спина все эти красивые рассуждения так и останутся красивыми рассуждениями. Пока что мы имеем дело с набором разрозненных экспериментальных фактов, которые авторы попытались стянуть «спиновым одеялом», но прочности этой связи пока не хватает для того, чтобы говорить о целостной теории.

Ранее ученые выяснили, как спин электронов влияет на движение протонов в живых системах.