Исследователи из Корнельского университета обнаружили, что никелевый анод с углеродным покрытием, легированный азотом, может катализировать важную реакцию в водородных топливных элементах за небольшую часть стоимости используемых в настоящее время драгоценных металлов.
Новое открытие может ускорить широкое использование водородных топливных элементов, которые имеют большие перспективы в качестве эффективных и экологически чистых источников энергии для транспортных средств и других приложений.
Это одно из ряда открытий лаборатории Гектора Д. Абрунья в их продолжающемся поиске активных, недорогих и долговечных катализаторов для использования в щелочных топливных элементах.
«Это открытие способствует использованию эффективных, чистых водородных топливных элементов вместо ископаемого топлива», — сказал Абрунья, профессор Эмиля М. Шамота кафедры химии и химической биологии Колледжа искусств и наук.
Результаты опубликованы 21 марта в статье «Щелочный топливный элемент, полностью не содержащий драгоценных металлов, с улучшенными характеристиками с использованием никелевого анода с углеродным покрытием» в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .
Дорогие драгоценные металлы , такие как платина, в настоящее время требуются в водородных топливных элементах для эффективного катализа реакций, которые они используют для производства электроэнергии. Хотя топливные элементы с мембраной из щелочного полимерного электролита (APEMFC) позволяют использовать электрокатализаторы на основе недрагоценных металлов, им не хватает производительности и долговечности, необходимых для замены систем на основе драгоценных металлов.
Топливный элемент производит электричество в результате реакции окисления водорода (HOR) и реакции восстановления кислорода (OOR). Платина, в частности, является модельным катализатором для обеих реакций, потому что она эффективно катализирует их и устойчива в кислой среде топливного элемента PEM, сказал Абрунья.
Но как насчет других материалов?
Недавние эксперименты с электрокатализаторами HOR из неблагородных металлов были направлены на преодоление двух основных проблем, пишут исследователи: низкая собственная активность из-за слишком сильной энергии связи водорода и плохая долговечность из-за быстрой пассивации из-за образования оксида металла.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи разработали электрокатализатор на основе никеля с 2-нанометровой оболочкой из углерода, легированного азотом.
Их водородный топливный элемент имеет анодный (где водород окисляется) катализатор, состоящий из твердого никелевого ядра, окруженного углеродной оболочкой. В сочетании с кобальт-марганцевым катодом (с пониженным содержанием кислорода) полученный водородный топливный элемент , полностью не содержащий драгоценных металлов, выдает более 200 милливатт на квадратный сантиметр.
По словам Абрунья, присутствие частиц оксида никеля на поверхности никелевого электрода резко замедляет реакцию окисления водорода. Углеродное покрытие, легированное азотом, служит защитным слоем и улучшает кинетику HOR, делая реакцию более быстрой и более эффективной.
Кроме того, наличие графенового покрытия на никелевом электроде предотвращает образование оксидов никеля, что приводит к значительному увеличению срока службы электродов. Эти электроды также гораздо более устойчивы к угарному газу, который быстро отравляет платину.
«Использование этого нового анода значительно снизит цены, что позволит использовать щелочные топливные элементы в самых разных областях», — сказал Абрунья.
В феврале Абрунья и его коллеги, включая ДиСальво, обнаружили, что катализатор на основе нитрида кобальта почти так же эффективен, как платина, в катализе реакции восстановления кислорода.
