Ученые из университета Брауна изобрели неплатиновый материал, который можно использовать в качестве катализатора в топливных ячейках

Исследователи из университета Брауна (США) утверждают, что разработали вещество, которое может статьнедорогой альтернативой платине в качестве катализатора для водородных топливных элементов.

Ученый-химик Шоухэн Сун из университета Брауна и его студенты сообщили, что ониразработали новыйматериал – пласт графена, покрытый наночастицами кобальта и его оксида –который можеткатализироватьреакцию восстановления кислорода почти так же эффективно, как платина, и является гораздо более долговечным.

Новое вещество имеет наибольшую способность восстановления кислорода по сравнению с другими неплатиновыми катализаторами, отмечает Шаоцзюнь Гуо, сотрудник лабораторииСуна и ведущий автор исследования, опубликованного в онлайн-издании научного журнала “Angewandte Chemie International Edition”.

Реакция восстановления кислорода протекает в катоде внутри водородной топливной  ячейки. Кислород служит в качестве стока электронов, выделяя их из водородного топлива на аноде и создавая электрическую тягу, которая заставляет ток проходить через электрические устройства, работающие за счет топливной ячейки.

“Реакция требует использования катализатора, и в настоящее время платина является лучшим вариантом, - отмечает Сун. – Но она очень дорогая и ее довольно мало, поэтому топливные ячейки так редко используются – за исключением отдельных случаев”.

До недавнего времени ученым не удавалось разработать достойную альтернативу платине. Несколько исследователей, в том числе Сун и Гуо, изобрели новый катализатор, который уменьшает количество платины, необходимой для протекания реакции. Однако разработка эффективного катализатора, в котором не использовалась бы платина, все еще остается трудноразрешимой задачей.

Проведенные лабораторные испытания показали, что новый графено-кобальтовый  материал медленнее, чем платина, запускал реакцию восстановления кислорода,  но как только процесс начинался, вещество выделяло кислород быстрее.

Кроме того, новое вещество оказалось долговечнее, поскольку разлагалось медленнее платины. После 17 часов испытаний производительность графено-кобальтового материала составляла около 70% от изначальной, в то время как эффективность платинового катализатора за этот же период составила всего лишь 60%.

Сотовидная структура

Кобальтявляется весьма распространенным металлом, стоимость которого составляет лишь малую часть от цены платины. Графен представляет собой пласт углерода толщиной в один атом, который имеет сотовидную структуру. Изобретенный совсем недавно,графенизвестен своейпрочностью, полезнымиэлектрическими свойствамии каталитическимпотенциалом.

Частоматериалы из графеновых наночастиц создаются за счет “выращивания” их непосредственно на поверхности графенового пласта, однако этот процесс едва ли подходит для производства катализатора. “Очень сложноконтролировать размер, форму и построение наночастиц”, - отмечает ученый.

Сун иего команда использовали метод самосборки, который дал им больше возможностей управления свойствами материала. Сначала, они рассеяли наночастицы кобальта и графена в двух разных растворах.

Затем эти растворыбыли объединены и тщательно перемешаны с помощью звуковых волн,что заставило наночастицы равномерно распределиться по поверхности графена.  Далее материал извлекли из раствора с помощью центрифуги и высушили. При контакте своздухом наружные слои кобальта на каждой наночастице окислились, образуя оболочку из оксида кобальта, защищающую кобальтовое ядро.

Исследователи могли контролировать толщину оболочки из оксида кобальта путем нагрева материала при  температуре 70°С в течение различных периодов времени. Более длительный нагрев увеличивал толщину оболочки.Таким образом, ученые могли подбирать структуру в поисках сочетания, которое принесло бы максимальные результаты.

Сун иего коллеги надеются, что благодаря дальнейшим исследованиям разработанный ими материал в будущем сможет стать подходящей заменой платиновым катализаторам. “В данный момент, наш материал еще не готов к использованию, - заявляет Сун. – Нам еще предстоит провести ряд испытаний”.

TheEngineer, перевод с английского – Наталья Пристром