Разработан высокоэффективный железный катализатор для топливных элементов

Топливные элементы с протонообменной мембраной (ТОТЭМ), которые часто называют «водородными аккумуляторами», — это экологически чистые устройства, вырабатывающие электричество из водорода и кислорода, а в качестве побочного продукта они используют только воду. Благодаря высокой эффективности, быстрому запуску и нулевому уровню выбросов они имеют большой потенциал в сфере транспорта, портативной электроники и стационарного производства электроэнергии. К сожалению, в настоящее время в ТОТЭМ в качестве катализатора используется дефицитная и дорогая платина, что делает их повсеместное внедрение нецелесообразным.

Однако теперь группа китайских учёных разработала для этих топливных элементов высокоэффективный катализатор на основе железа, который снизит зависимость от платины. Новая конструкция, получившая название «внутренняя активация, внешняя защита», обеспечивает рекордную эффективность и долговечность. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Традиционные катализаторы Fe / N-C основаны на внешней поверхности графеновых или углеродных подложек, что ограничивает воздействие активных центров и затрудняет практическое применение. В целом, производству ТОТЭМ также препятствуют чрезмерно сильное связывание с кислородными промежуточными продуктами, плохая кинетика реакции и уязвимость к реакциям Фентона в окислительных средах, что приводит к выщелачиванию металлов и снижению эксплуатационных характеристик.

Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа под руководством профессора ВАН Дань разработала одноатомный железный катализатор с внутренней изогнутой поверхностью (CS Fe/N-C) с уникальной наноограниченной полой многослойной структурой (HoMS). Каждая нанополая частица размером около 10 нм × 4 нм состоит из нескольких оболочек, в которых атомы железа сконцентрированы во внутренних слоях с высокой плотностью.

Катализатор состоит из множества наночастиц оксида железа, диспергированных в двумерных углеродных слоях, при этом отдельные атомы железа в основном расположены на внутренней изогнутой поверхности наночастиц оксида железа. Внешний графитированный углеродный слой наночастиц оксида железа не только эффективно ослабляет связь между кислородсодержащими промежуточными продуктами реакции, но и снижает скорость образования гидроксильных радикалов, формируя особую микросреду «внутренней активации и внешней защиты». Катализатор Fe/N-C обеспечивает получение одного из наиболее эффективных ТОТЭМ, не содержащих металлов платиновой группы.

Расчёты показали, что увеличение кривизны само по себе усиливает промежуточное связывание и препятствует десорбции, тем самым снижая каталитическую активность. Однако введение внешней оболочки из легированного азотом углерода с вакансиями железа вызывает значительное электростатическое отталкивание между атомами азота внешнего слоя и атомами кислорода адсорбированных промежуточных соединений на внутренней оболочке.

По словам исследователей, катализатор обеспечил перенапряжение при восстановлении кислорода всего в 0,34 В, что намного лучше, чем у планарной структуры. Он также подавил образование перекиси водорода и повысил селективность и долговечность. Кроме того, он обеспечил рекордную удельную мощность после более чем 300 часов непрерывной работы.

В этой работе представлен новый тип CS Fe/N-C для высокоактивного и долговечного катализа восстановления кислорода в топливных элементах. Графитизированный внешний слой N-C эффективно ослабляет связь между кислородсодержащими промежуточными соединениями и подавляет образование ·OH, тем самым повышая как активность, так и стабильность. Это открывает возможности для разработки высокоэффективных электрокатализаторов следующего поколения.

[Фото: ZHAO Yasong / Institute of Process Engineering]