Аэрогелевый катализатор удешевит топливные элементы

Аэрогель, сочетающий молекулы бора и азота с графеновыми нанолентами, может стать альтернативой платине при создании топливных элементов

(фото Ajayan Group/Rice University).

Трёхмерный аэрогель, созданный специалистами университета Райса

(фото Ajayan Group/Rice University).

Так пористый аэрогель выглядит под электронным микроскопом

(фото Ajayan Group/Rice University).

Графеновые наноленты, сформированные в трёхмерную структуру и укреплённые бором и азотом, могут стать отличной альтернативой дорогостоящей платине в качестве катализатора для топливных элементов. К такому выводу пришли специалисты университета Райса.

Команда во главе с материаловедом Пуликелом Аджаяном (Pulickel Ajayan) и химиком Джеймсом Туром (James Tour) создала безметаллические аэрогели из графеновых нанолент с различным содержанием бора и азота, чтобы протестировать их электрохимические свойства.

В ходе тестирований с использованием половины каталитической реакции, протекающей в топливных элементах, они обнаружили, что версия с приблизительно 10% бора и азота оказалась наиболее эффективной и катализировала реакцию восстановления кислорода — важный этап в производстве энергии из такого сырья как метанол.

Исследователи пришли к выводу, что потенциал графена как катализатора не был очевидным. Однако команда химически разложила углеродные нанотрубки на ленты, а затем вживила их в пористый трёхмерный аэрогель, одновременно помещая на края ленты молекулы бора и азота.

Так пористый аэрогель выглядит под электронным микроскопом
(фото Ajayan Group/Rice University).

Новый материал обеспечил изобилие активных центров вдоль открытого края для протекания реакции восстановления кислорода. Топливные элементы превращают водород (или углеводороды, например, метан) в электричество благодаря процессу, который собирает электроны и рекомбинирует их с водородом и кислородом, замыкая цепь. Продуктами первичных отходов становятся двуокись углерода и вода для метанола, а для водорода — просто вода.

"Реакции в большинстве современных топливных элементов катализируют платиной, однако её высокая стоимость заставляет нас постолянно искать альтернативы, — говорит Аджаян. — Представленный нами процесс уникален, так как он обеспечивает создание пористых каналов, позволяющих реагентам проникать в материал".

Ни бор, ни азот по отдельности не будут способствовать желаемому протеканию реакций, однако аэрогель с оптимальным сочетанием бора и азота работает даже лучше, чем платина. Научная статья была опубликована в издании Chemistry of Materials.