Неметаллический катализатор для топливных элементов

Источник: lavent.ru

Ученые Южной Кореи, Университета Северного Техаса и Западного Резервного Университета Кейза (США) представили дешевый и простой в производстве катализатор, который способен заменить платину в топливных элементах. Топливные элементы могут быть более эффективными и безопасными для окружающей среды, чем генераторы, работающие на ископаемом топливе. Но дороговизна и другие недостатки платиновых катализаторов были слабым местом этих устройств. Команда под руководством г-на Чен Бом Пэка (Национальный институт науки и технологии Южной Кореи) выяснила, что галогенизированный графен может показать более высокие результаты, чем платина. Технология производства материала весьма проста. Ученые раздробили графит на однослойные графеновые наночастицы в шаровой мельнице (контейнер, наполненной шариками из нержавеющей стали). В то же время в емкость вводился газообразный хлор, бром или йод, для получения различных катализаторов.

В каждом случае молекулы газа замещали атомы углерода вдоль зигзагообразной кромки графеновых нанопластинок. Эти «ребра» способны связываться с молекулами кислорода и уменьшать прочность связи между двумя его атомами. В топливном элементе химическая энергия преобразуется в электрическую. Из топлива (обычно водород или метанол, смешанный с водой) извлекаются электроны, которые подаются на анод (положительно заряженный электрод, создающий ток). Ионы водорода проходят через специальную мембрану к катоду (отрицательный электрод). Здесь молекулы кислорода из воздуха разделяются и восстанавливаются путем добавления электронов. Чем слабее связь между атомами, тем эффективнее кислород восстанавливается. Затем атомы кислорода вступают в реакцию с ионами водорода, которая приводит к образованию воды и выделению тепла.

Тестирование катодов, покрытых нанопластинками галогенизированного графена, показало, что лучшие результаты демонстрирует сочетание графена и йода. Этот катализатор привел к повышению производства тока на 33% (по сравнению с коммерческим платиновым покрытием). Эффективность графена с бромом на 7% ниже, чем у платины, а у графена с хлором — на 40% меньше. После 10 000 циклов работы электроды с графеном и йодом поддерживали от 85,6 до 87,4% от начального тока. Для платины этот показатель не превышает 62,5%. Кроме того, эффективность платиновых катализаторов резко падает в случае добавления угарного газа, а графен-йодный катализатор продемонстрировал устойчивость к нему. Как отмечает г-н Пэк, сейчас он и его коллеги работают над оптимизацией материала.