Водородные топливные элементы преобразуют водород в электричество с использованием водяного пара в качестве единственного побочного продукта, что делает их привлекательной экологически чистой альтернативой портативному источнику питания, особенно для транспортных средств.

Однако их широкому использованию отчасти препятствовала стоимость одного из основных компонентов. Чтобы облегчить реакцию, в результате которой вырабатывается электричество, топливные элементы используют катализатор из платины, который является дорогим и дефицитным.

Теперь европейская команда, возглавляемая исследователями Имперского колледжа Лондона, создала катализатор, используя только железо, углерод и азот - материалы, которые дешевы и легкодоступны - и показала, что его можно использовать для работы топливного элемента на высокой мощности. Их результаты опубликованы сегодня в Природный катализ.

Ведущий исследователь профессор Энтони Кучернак с химического факультета Imperial сказал: "В настоящее время около 60% стоимости одного топливного элемента приходится на платину для катализатора. Например, чтобы сделать топливные элементы реальной жизнеспособной альтернативой транспортным средствам, работающим на ископаемом топливе, нам необходимо снизить эту стоимость.

"Наша более дешевая конструкция катализатора должна сделать это реальностью и позволить внедрить значительно больше систем возобновляемой энергетики, использующих водород в качестве топлива, что в конечном итоге сократит выбросы парниковых газов и поставит мир на путь к нулевым выбросам".

Инновация команды заключалась в создании катализатора, в котором все железо было диспергировано в виде отдельных атомов в электропроводящей углеродной матрице. Одноатомное железо обладает иными химическими свойствами, чем объемное железо, где все атомы сгруппированы вместе, что делает его более реакционноспособным.

Эти свойства означают, что железо ускоряет реакции, необходимые в топливном элементе, выступая в качестве хорошей замены платины. В ходе лабораторных испытаний команда показала, что одноатомный железный катализатор обладает характеристиками, приближающимися к характеристикам катализаторов на основе платины в реальной системе топливных элементов.

Помимо производства более дешевого катализатора для топливных элементов, метод, разработанный командой для создания, может быть адаптирован для других катализаторов для других процессов, таких как химические реакции с использованием атмосферного кислорода в качестве реагента вместо дорогостоящих химических окислителей, и при очистке сточных вод с использованием воздуха для удаления вредных загрязнений.

Первый автор доктор Асад Мехмуд с химического факультета Imperial сказал: "Мы разработали новый подход к созданию ряда "одноатомных" катализаторов, которые дают возможность проводить целый ряд новых химических и электрохимических процессов. В частности, мы использовали уникальный синтетический метод, называемый трансметаллизацией, чтобы избежать образования кластеров железа во время синтеза. Этот процесс должен быть полезен другим ученым, желающим получить катализатор аналогичного типа".

Команда сотрудничала с британским производителем катализаторов для топливных элементов Johnson Matthey, чтобы протестировать катализатор в соответствующих системах и надеется расширить масштабы своего нового катализатора, чтобы его можно было использовать в коммерческих топливных элементах. Тем временем они работают над улучшением стабильности катализатора, чтобы он соответствовал платине как по долговечности, так и по производительности.