Источник фото — rscf.ru
Топливные элементы, преобразующие химическую энергию водорода в электричество, являются альтернативой литий-ионным аккумуляторам, для которых пока что нет эффективных способов утилизации. Принцип действия топливных элементов достаточно прост: водород в ходе реакции отдает электроны, а кислород, принимая заряженные частицы, восстанавливается до уровня воды. Однако такая реакция требует использования катализаторов, запускающих и ускоряющих превращение кислорода в воду. Чаще всего для этой цели используются дорогостоящие платиновые катализаторы, которые, к тому же, быстро утрачивают свои свойства из-за взаимодействия с органическими и неорганическими соединениями.
Свою альтернативу платиновым «ускорителям» предложили ученые из Института химии растворов им. Г. А. Крестова РАН, которые разработали биметалл-порфириновые катализаторы в виде пленок. Авторы исследования сначала синтезировали порфирины – сложные азотсодержащие молекулы, которые состоят из четырех связанных между собой углеродных колец. Затем ученые ввели в структуру атом металла (железа или марганца), который прочно удерживался в центре азот-углеродного кольца. Наконец, на последнем этапе исследователи применили электрохимический подход, чтобы получить катализаторы двух видов: к первому из них относились «ускорители», содержащие по отдельности атомы железа или марганца, а ко второму – биметаллические железо-марганцевые катализаторы.
Ученые протестировали способность полученных пленок осуществлять реакцию восстановления кислорода, разместив катализатор в электрохимическую ячейку, заполненную щелочью, через которую пропускался кислород. Авторы оценивали эффективность химического превращения по напряжению на электродах ячейки, т.е. элементах, проводящих ток. «Ускоритель», содержащий сразу два металла, позволил при более низком напряжении сгенерировать в полтора раза больший ток, чем при использовании марганцевого или железного катализатора.
«При относительной дешевизне металлопорфирины железа и марганца обладают низкой токсичностью и могут использоваться в качестве катализаторов, необходимых для работы топливных элементов. Это позволит усовершенствовать данные устройства для хранения и преобразования энергии. В дальнейшем мы планируем оценить, как влияет на активность биметаллических порфириновых катализаторов присутствие в них атомов кобальта, меди и никеля. Кроме того, изменяя химическую структуру порфирина и молекулярное окружение атома металла, мы сможем более тонко настроить работу катализатора для протекания нужной реакции», — цитирует Российский научный фонд Сергея Кузьмина, кандидата химических наук, старшего научного сотрудника Института химии растворов им. Г. А. Крестова РАН.
