Кобальт с графеном может вытеснить из топливных элементов дорогую платину

В университете Брауна (штат Род-Айленд) разработан новый материал на основе графена, способный служить почти столь же эффективным катализатором кислородно-восстановительной реакции, как и платина, но гораздо более устойчивый. Он представляет собой графеновый лист, покрытый наночастицами кобальта и его оксида.

Реакция восстановления (уменьшения степени окисления с получением электронов) протекает в области катода водородной топливной ячейки. Кислород служит поглотителем электронов, отнимая их у водородного топлива на аноде, что генерирует заряд в топливных элементах. Реакция требует присутствия катализатора, наилучшим из которых на сегодняшний день является весьма дорогая и дефицитная платина.

Ряд ученых, включая команду из Брауновского университета, ранее добились успеха в снижении содержания платины в катализаторах, однако совсем отказаться от ее использования до сих пор не удавалось.

Описанный в статье для онлайнового издания Angewandte Chemie кобальтовый катализатор стал первым альтернативным решением, не содержащим драгметаллов. Кобальт является довольно широко распространенным металлом и стоит во много раз дешевле, чем платина.

Лабораторные испытания показали, что новый катализатор несколько уступает платине в скорости инициирования реакции, но в процессе ее протекания восстанавливает кислород даже более быстрыми темпами, чем платина. Графено-кобальтовый материал обнаружил также лучшую сопротивляемость деградации. После 17 часов эксплуатации он сохранил 70% начальной эффективности, по сравнению с 60% для платины за такой же период времени.

Для изготовления материала ученые применили метод самосборки, обеспечивающий наиболее плотный контроль размеров, формы и расположения наночастиц. Для этого они получили два отдельных раствора для наночастиц кобальта и графена, а затем тщательно перемешали их с применением звуковых волн. Графеновый материал с равномерными вкраплениями кобальта был осажден из раствора в центрифуге и высушен. В открытой атмосфере внешние слои атомарного кобальта окислились, образовав на каждой наночастице облочку, защищающую кобальтовое ядро.

Толщину оболочки контролировали, изменяя продолжительность пребывания материала в нагретом до 70 °С состоянии. Экспериментальным путем было установлено, что наилучшим образом каталитические свойства материала проявляются при толщине оболочки в 1 нм.

Участники исследования оптимистичны в своих прогнозах: дешевый катализатор без платины сможет сыграть решающую роль в выходе топливных элементов из лабораторной фазы и широком их коммерческом распространении.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI