Быстрый и энергоэффективный синтез катализаторов — ключевая задача для водородной энергетики. Традиционные методы требуют длительного нагрева и большого расхода энергии, что ограничивает масштаб производства и повышает его стоимость. Новый подход, называемый процессом прямого контактного фототермического отжига (DCA), позволяет достигать сверхвысоких температур за миллисекунды, при этом энергопотребление снижается более чем в тысячу раз.

С помощью этого метода химически инертные прекурсоры наноалмазов (ND) превращаются в высокопроводящие и каталитически активные углеродные нанолуковицы (CNO). CNO, состоящие из концентрических графитовых оболочек, отличаются высокой проводимостью, большой площадью поверхности и химической стабильностью, что делает их идеальными носителями катализаторов. Ранее их производство было сложным и энергоемким — требовался долгий нагрев и многоступенчатая обработка.

Чтобы упростить процесс, исследователи использовали фототермический эффект: они смешали прекурсоры наноалмазов со светопоглощающей сажей и облучили смесь мощным импульсом ксеноновой лампы. Под действием вспышки температура за доли секунды достигает 3000°C, и наноалмазы превращаются в углеродные нанолуковицы всего за 0,02 секунды.

Одновременно поверхность нанолуковиц функционализируется — то есть на нее закрепляются отдельные атомы, которые придают материалу новые каталитические свойства и ускоряют химические реакции. Быстрое охлаждение предотвращает их слипание. Команда синтезировала восемь разных катализаторов, добавив платину, кобальт и никель. Полученный материал Pt-CNO повысил эффективность выделения водорода в шесть раз по сравнению с традиционными катализаторами, при этом расход драгоценных металлов заметно снизился.

Технология позволяет быстро синтезировать и функционализировать катализаторы при минимальных энергозатратах. Это может ускорить внедрение водородной энергетики, экологического катализа и других технологий чистой энергии.