Химики предложили дешевые катализаторы для топливных элементов

Высокая стоимость платиновых катализаторов, используемых в водородных топливных элементах, ограничивает коммерциализацию этих устройств. Чтобы решить эту проблему, ученые из США и Франции разработали новые катализаторы, которые не содержат платины и родственных ей металлов, что делает их стоимость в разы ниже. Исследование ученых опубликовано в статье в Journal of the American Chemical Society.

Водородные топливные элементы основаны на реакции между кислородом и водой, при которой происходит расщепление молекул кислорода на ионы и объединение их с протонами с образованием воды. В ходе этого процесса кроме воды образуется также энергия. В обычных условиях она полностью превращается в тепло, которое затем можно преобразовать в электричество. Однако гораздо более выгодно использовать топливные элементы, которые минуют стадию перевода энергии реакции в тепло и позволяют получать электричество непосредственно из химического процесса.

Но реакция между кислородом и водородом относительно медленная, что ограничивает эффективность топливных элементов. Чтобы ее ускорить, применяются специальные соединения — катализаторы. На сегодняшний день для ускорения такой реакции в водородном топливном элементе используются довольно дорогие катализаторы на основе платины.

Чтобы уменьшить связанные с производством этих соединений затраты, ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики, Северо-Западного университета и Университета Монпелье придумали соединение на основе железа, азота и углерода, которое способно ускорять взаимодействие между водородом и кислородом не менее эффективно, чем платина. Для получения катализатора ученые смешали прекурсоры, содержащие все три элемента, и нагревали их до температур от 900 до 1100 °C.

После этого процесса, называемого пиролизом, атомы железа в материале связываются с четырьмя атомами азота и внедряются в плоскость графена. Каждый из атомов железа представляет собой активный центр, в котором может произойти окислительно-восстановительная реакция. Большая плотность активных центров в материале повышает эффективность электрода. Ученые установили, что при пиролизе смеси железа, азота и углеродсодержащих прекурсоров сначала образуются азотно-графеновые участки, а затем в них вводятся атомы железа. Авторы также обнаружили, что могут создавать более высокую плотность активных центров в катализаторе, вводя сначала атомы азота в углеродную структуру, а затем атомы железа во время пиролиза.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.