Химики из Корнельского университета открыли класс производных недрагоценных металлов, которые могут катализировать реакции топливных элементов почти так же, как платина, при меньшей стоимости.
Это открытие приближает будущее, в котором водородные топливные элементы эффективно питают автомобили, генераторы и даже космические корабли с минимальными выбросами парниковых газов.
«Эти менее дорогие металлы позволят более широко использовать водородные топливные элементы», — сказал Эктор Д. Абрунья, профессор Эмиля М. Шамо кафедры химии и химической биологии Колледжа искусств и наук. «Они оттолкнут нас от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии ».
Абрунья с соавторами Фрэнсисом ДиСальво, заслуженным профессором химии Джона А. Ньюмана; докторант Руи Цзэн; Яо Ян, доктор философии. 21 год; Синьран Фэн, доктор философии. 21 год, и Хуэйци Ли, приглашённый аспирант Сямэньского университета; и Lauryn M. Gibb ’22 опубликовали результаты в журнале Science Advances .
Пока двигатели внутреннего сгорания правят улицами и заполняют небо смогом, трудно представить устойчивое будущее для транспорта. Водородные топливные элементы, которые преобразуют водород непосредственно в электричество, используя только воду и небольшое количество тепла в качестве побочного продукта, являются перспективными возобновляемыми альтернативами.
Важнейшей частью топливного элемента является реакция восстановления кислорода (ORR), печально известный медленный процесс — Абрунья часто называет его «коллективным наказанием Бога электрохимии» — который традиционно ускоряется платиной и другими драгоценными металлами. Модельный катализатор, платина проводит электричество, с апломбом катализирует самые темпераментные реакции и достаточно вынослива, чтобы выжить в жесткой кислотной среде топливного элемента. Но это может быть непозволительно дорого.
В последнее время, однако, получили известность более щадящие щелочные топливные элементы, что повышает вероятность того, что менее дорогие металлы, которые когда-то исключались из-за их уязвимости к кислой среде, могут заменить платину в этих более мягких топливных элементах следующего поколения. Абрунья и его команда приступили к разработке недорогого материала, подходящего для щелочного топливного элемента, который бы проводил электричество и катализировал реакцию ORR так же эффективно, как платина.
Нитриды переходных металлов (TMN) были очевидным выбором, и DiSalvo является мировым экспертом по этим материалам, сказал Абрунья. Класс соединений, полученных из кобальта, марганца, железа и других переходных металлов, TMN проводят электричество и при воздействии воздуха имеют тенденцию образовывать тонкую внешнюю оболочку на основе кислорода , которая обеспечивает идеальную поверхность для катализа химических реакций. После синтеза семейства TMN с проводящими нитридными ядрами и реакционноспособными оксидными оболочками команда протестировала каждый кандидат-катализатор в модельном водородном топливном элементе.
Кандидаты на основе марганца и железа показали хорошие результаты. Но катализатор из нитрида кобальта был «явным победителем», сказал Абрунья, с почти такой же эффективностью, что и платина, но стоил в 475 раз меньше по состоянию на 2 февраля.
Эти сбережения могут помочь, наконец , вывести водородные топливные элементы из лаборатории в массовое производство. Если бы топливные элементы были доступны, они могли бы заменить двигатели внутреннего сгорания и автомобильные аккумуляторы устойчивой альтернативой, которая, питаясь постоянным водородом, никогда не нуждается в подзарядке и тратит впустую всего 10% энергии, затрачиваемой на его работу. Для сравнения, обычный автомобильный двигатель тратит впустую около 75% своей энергии.
«Водородные топливные элементы чрезвычайно мощны, позволяя вам работать с эффективностью, которой просто не существует для более традиционных двигателей», — сказал Абрунья. «Люди признают, что топливные элементы — это путь. Хитрость заключается в разработке стабильных и доступных катализаторов, которые делают все это возможным».
