Топливные элементы с протонообменной мембраной (ТОТЭМ), иногда именуемые «водородными аккумуляторами», представляют собой экологически безопасные приборы, генерирующие электричество из водорода и кислорода, при этом единственным побочным продуктом является вода. Высокая эффективность, оперативный запуск и отсутствие вредных выбросов делают их перспективными для применения в транспортной отрасли, для питания портативных электронных устройств и в стационарных энергетических системах. Однако в настоящее время для функционирования ТОТЭМ требуется платина – дорогостоящий и дефицитный катализатор, что препятствует их широкому распространению.
Однако группа китайских исследователей разработала для этих топливных элементов высокоэффективный катализатор на основе железа, который снизит зависимость от платины. Новая конструкция, получившая название «внутренняя активация, внешняя защита», обеспечивает рекордную эффективность и долговечность. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.
Катализаторы Fe / N-C, используемые традиционно, располагаются на внешней поверхности графеновых или углеродных оснований, что ограничивает доступность активных центров и создает трудности для их практического применения. Кроме того, производство ТОТЭМ затрудняется из-за слишком прочной связи с кислородными промежуточными продуктами, неблагоприятной кинетики реакции и чувствительности к реакциям Фентона в окислительных условиях. Это приводит к выщелачиванию металлов и ухудшению рабочих характеристик.
Для решения указанных проблем исследовательская группа во главе с профессором ВАН Дань создала одноатомный железный катализатор с внутренней изогнутой поверхностью (CS Fe/N-C), обладающий уникальной наноограниченной пористой многослойной структурой (HoMS). Размер каждой нанопористой частицы составляет приблизительно 10 нм × структура 4 нм включает в себя несколько слоев, в которых атомы железа сосредоточены во внутренних областях с высокой плотностью.
Катализатор представляет собой совокупность наночастиц оксида железа, равномерно распределенных в двумерных углеродных структурах, где отдельные атомы железа преимущественно находятся на внутренней, изогнутой поверхности этих наночастиц. Внешний графитированный углеродный слой, окружающий наночастицы оксида железа, не только уменьшает взаимодействие между кислородсодержащими промежуточными продуктами реакции, но и замедляет скорость образования гидроксильных радикалов, создавая уникальную микросреду, характеризующуюся «внутренней активацией и внешней защитой». Катализатор Fe/N-C позволяет получить один из самых эффективных ТОТЭМ, не содержащих металлов платиновой группы.
Выполненные расчёты продемонстрировали, что повышение кривизны поверхности само по себе усиливает промежуточное связывание и подавляет десорбцию, что приводит к уменьшению каталитической активности. Вместе с тем, добавление внешней оболочки, состоящей из легированного азотом углерода с вакансиями железа, вызывает заметное электростатическое отталкивание между атомами азота внешнего слоя и атомами кислорода адсорбированных промежуточных соединений, находящихся на внутренней оболочке.
Учёные сообщают, что благодаря использованному катализатору, перенапряжение при восстановлении кислорода снизилось до 0,34 В, что является значительно лучшим показателем по сравнению с планарной структурой. Катализатор также предотвратил образование перекиси водорода, увеличив при этом селективность и долговечность. Помимо этого, он обеспечил рекордную удельную мощность после более чем 300 часов непрерывной эксплуатации.
В настоящей работе описан инновационный катализатор CS Fe/N-C, предназначенный для эффективного и стабильного восстановления кислорода в топливных элементах. Графитизированная внешняя оболочка из N-C снижает взаимодействие кислородсодержащих промежуточных продуктов и подавляет формирование ·OH, что способствует улучшению как активности, так и устойчивости катализатора. Это позволяет создавать электрокатализаторы нового поколения с улучшенными характеристиками.
[Фото: Ян Чжао / Институт технологических процессов ]