Разработан катализатор для топливных элементов с самозащитой от кислорода

Международная команда исследователей создала новый катализатор для топливных элементов с функцией самозащиты от молекулярного кислорода.

Выводы проекта представлены в журнале Nature. Исследование было проведено специалистами Русского университета Бохума (РУБ), Института энергетической конверсии Макса Планка в Мюнхене и Национальных северо-западных тихоокеанских лабораторий (Вашингтон, США).

Топливные элементы на основе реакций H2/O2 считаются перспективным энергетическим трендом будущего. Сложность заключается в необходимости использования дорогих катализаторов, вроде платины. Потенциальной альтернативой могут стать доступные металлы, вроде железа и никеля, имитирующих активный центр гидрогеназ. Но их могут деактивировать даже следы кислорода. Исследователи смогли обеспечить новому материалу функцию самозащиты.

Предохранительный механизм был внедрен в катализатор типа DuBois. Комплексы интересуют ученых за счет высокой активности, соответствующей показателям гидрогеназ. Структуры их лиганд можно менять, чтобы катализатор подошел водным системам и мог ковалентно привязываться к поверхности электрода. Для защиты от кислорода, по аналогии с гидрогеназой, в катализатор внедрили восстанавливающую его полимерную матрицу.

Исследователи использовали гидрофобный, редокс-неактивный полимер. Он выступил в качестве обездвиживающей матрицы для никелевого катализатора. Она поспособствовала формированию 2 отдельных реакционных слоев: каталитически активного, возле поверхности электрода, и защитного, на границе полимера и электролита. Первый обеспечивает эффективную конверсию водорода, а второй удаляет поступающий кислород, предотвращая повреждения структуры.

«Катализатор защищает себя сам, используя электроны от водородного окисления во внешнем полимерном слое. Они восстанавливают кислород в каталитических центрах, — объяснил профессор Вольфганг Шуман из РУБ. – Эта возможность появилась, так как полимерная матрица электрически разъединяет внешний полимерный слой и поверхность электрода. Так все извлеченные электроны могут использоваться для восстановления вредного кислорода на границе сред».

Электроны активного центра при этом не переходят в защитную оболочку, а полностью используются в электроде. Структура показала высокую стабильность и плотность тока.