COF-катализатор с OH-группами: 98,95% фарадеевской эффективности в синтезе аммиака

Химики синтезировали три варианта пористого катализатора на основе медного фталоцианина и выяснили, что версия с четырьмя гидроксильными группами, Cu-COF-4OH, превращает нитрат в аммиак с пиковой фарадеевской эффективностью 98,95%. В обычных условиях испытаний показатель составил 93,20%. Работа описана в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (DOI: 10.1073/pnas.2615084123), о ней 29 октября 2026 года рассказал Phys.org.

Зачем катализатору «протонные хайвеи»

Аммиак для удобрений больше века делают по способу Габера — Боша: водород соединяют с азотом при высоких температурах и давлениях. По данным авторов публикации, на это уходит около 1% мировой энергии и приходится более 1% годовых антропогенных выбросов CO₂. Электрохимическое восстановление нитрата (NO₃RR) предлагает другой путь: брать не инертный газ азот, а нитрат из сельскохозяйственных стоков и промышленных сбросов, который и так загрязняет воду, и пропускать через него ток. Мешает одна деталь: на каждую молекулу нитрата нужно девять протонов, а в обычных катализаторах протоны медленно и хаотично блуждают по воде, и активным центрам их не хватает. Группа собрала ковалентный органический каркас (COF), пористый сетчатый материал, из медьсодержащего ядра CuPc и альдегидного блока с гидроксильными группами. Именно эти группы, как показали авторы, перестраивают молекулы воды на поверхности в непрерывные цепочки с водородными связями, по которым протоны идут прямо к медным центрам. Катализатор одновременно удерживает нитрат, протоны и электроны рядом, поэтому ток почти не расходуется на побочные продукты: газообразный водород или токсичный недоокисленный нитрит. На измерениях это видно по цифрам. В проточной ячейке с мембранно-электродным блоком скорость образования аммиака достигла 65,84 мг в час при фарадеевской эффективности 93,20%. В цинк-нитратной батарее тот же материал работал на три задачи сразу: очищал раствор от нитрата, давал 263,2 мкг аммиака на квадратный сантиметр в час при плотности тока 6 мА/см² и выдавал мощность до 1,4 мВт/см². Уловленный аммиак исследователи перевели в твёрдый хлорид аммония, пригодный, по их описанию, для коммерческих удобрений: газ поглотили кислотой и выпарили раствор.

Что это значит и чего пока не показано

Механизм легко пояснить на бытовом уровне. Представим условный цех, где для покраски детали нужен клей: без подводки клей приходится носить вёдрами через весь цех, работа идёт медленно, часть клея засыхает по дороге. Гидроксильные группы здесь выполняют роль трубопровода, который подаёт клей прямо к рабочему месту: девять «порций» на молекулу нитрата прибывают вовремя, и почти весь электрический заряд уходит в целевой продукт. Это объяснение устройства катализатора, а не описание какого-то готового производства. Важная оговорка: катализатор испытывали только на приготовленных растворах нитрата. Реальные сточные воды сложнее, и авторы прямо указывают, что нужна дальнейшая проверка на них, чтобы понять, сохранится ли эффективность. В доступном материале нет и данных о длительной стабильности Cu-COF-4OH в проточной ячейке. Для сравнения: близкий по теме, но другой катализатор на основе меди и кобальта, описанный летом 2026 года в Advanced Science группой из Технологического университета Коти и Нагойского университета, работал в проточной ячейке более 60 часов и снизил содержание нитрата в имитированной сточной воде со 140 до 7,45 ppm, что ниже норматива ВОЗ для питьевой воды в 50 ppm. Сопоставления по стоимости, расходу электроэнергии и масштабируемости с процессом Габера — Боша пока нет ни для одного из них. Так что ответ на вопрос о конкуренции с Габером — Бошем на реальных стоках сегодня один: не показано. Есть высокая селективность на чистых растворах, работающая проточная ячейка и ясный принцип дизайна катализатора. Следующий шаг, испытания на настоящих сточных водах, определит, останется ли результат лабораторной демонстрацией или дойдёт до очистных сооружений. Подобные работы по электрохимии и электрокатализу часто становятся основой научных статей по химии и материаловедению: методики проточных ячеек и расчёты фарадеевской эффективности хорошо воспроизводимы и дают материал для самостоятельных исследований.