Коллектив учёных КНИТУ совместно с коллегами из институтов РАН — Института органической и физической химии им. академика А. Е. Арбузова и Института элементоорганических соединений им. академика А. Н. Несмеянова — разработал и испытал новый бифункциональный молекулярный электрокатализатор на основе палладиевого пинцерного комплекса. Результаты исследования, опубликованные в этом году в авторитетном International Journal of Hydrogen Energy (импакт-фактор журнала — 9,3), демонстрируют рекордные для молекулярных систем показатели в составе реальных топливных элементов.

Как подчёркивают авторы разработки, работа такого масштаба — от молекулярного синтеза до испытаний в мембранно-электродном блоке — могла состояться только при объединении усилий академических институтов и университета: синтез соединений выполнили в институтах РАН, а разработку каталитических систем на их основе, изготовление мембранно-электродных сборок и их испытания в топливном элементе провели учёные КНИТУ.

Разработка представляет собой комплекс состава [(PNP)Pd(CH₃CN)]BF₄, сокращённо PNP-Pd, где PNP — пинцерный тридентатный лиганд с атомом азота и двумя фосфиновыми группами. Пинцер (от английского pincer — клешня, пинцет) в химии обозначает тип лиганда, который захватывает ион металла сразу с трёх сторон. Главная ценность пинцеров — их невероятная стабильность и управляемость: лиганд намертво удерживает металл, не давая катализатору разрушиться, а химики могут менять строение лиганда, тонко настраивая его свойства.

Благодаря пинцерной архитектуре молекула способна катализировать как реакцию окисления водорода (HOR) на аноде, так и реакцию восстановления кислорода (ORR) на катоде. Ключевая особенность — металл-лигандное кооперативное взаимодействие: атом палладия и основный атом азота лиганда совместно активируют молекулу водорода, расщепляя её гетеролитически, то есть несимметрично. Связь H–H разрывается с меньшим энергетическим барьером, что ускоряет реакцию и позволяет избежать образования неактивных гидридов палладия, которые ухудшают каталитические свойства палладиевых наночастиц.

Именно эта особенность механизма обеспечила рекорд. В ходе испытаний в составе мембранно-электродных сборок (MEA) в реальном топливном элементе H₂/O₂ при 80 °C катализатор показал максимальную удельную мощность при работе на аноде — 419 мВт/см², тогда как лучшие из известных молекулярных аналогов не превышали 74 мВт/см². На катоде мощность составила 254 мВт/см², что также является высоким показателем. Катализатор сохранял стабильность в течение 10 часов на анодной стороне; на катоде наблюдалась постепенная деградация из-за окисления фосфиновых групп лиганда. Впрочем, последнее, указывают авторы, в большей степени очерчивает направление дальнейшей оптимизации, нежели ставит под сомнение принципиальную работоспособность подхода.

— Полученные результаты открывают новую страницу в создании эффективных катализаторов для водородной энергетики. Палладий в России значительно доступнее платины, а точный молекулярный дизайн позволяет управлять активностью на уровне отдельных молекул, — пояснил значимость разработки один из участников исследовательского коллектива, заведующий кафедрой физики КНИТУ Кирилл Холин.

В команде исследователей КНИТУ также представили сотрудники кафедры физики: признанный специалист в области топливных элементов и водородной энергетики профессор Марсил Кадиров (один из двух пишущих авторов опубликованной в International Journal of Hydrogen Energy статьи), доцент Артём Козлов — генеральный директор ООО «Югрэй», заинтересованный в практической реализации технологии водородной энергетики в России, и группа молодых учёных — Данил Казанцев, Полина Эндерс, Радис Гайнуллин, Данис Кадиров.

Также отметим, что проект М. К. Кадирова (руководитель), А. В. Козлова, П. Я. Эндерс и Д. К. Казанцева от КНИТУ, посвящённый неплатиновым катализаторам топливных элементов, в 2026 году выиграл конкурс проектов гранта Российского научного фонда для малых научных групп.

Значение работы выходит за пределы одной публикации. Водородно-кислородные топливные элементы — это база «зелёной» энергетики, и одна из главных задач для их широкого внедрения состоит в том, чтобы подобрать правильный катализатор. Многие комплексы металлов хорошо справляются с задачей в растворах, но не всегда их можно «посадить» на твёрдый носитель без потери активности, то есть сделать гетерогенными.

Коллектив из Казани, Москвы и Томска (в работе участвовали также исследователи Томского политехнического университета) интегрировал специальный комплекс палладия в мембранно-электродные сборки топливного элемента и показал, что молекулярная система способна работать в реальном устройстве, а не только в лабораторной ячейке. Учитывая, что пинцерных лигандов существует целое семейство, здесь открывается широкое поле для молекулярного дизайна — по сути, небольшое научное направление, позволяющее сделать топливные элементы эффективнее и, что важно для отечественной энергетики, менее зависимыми от платины.