Новое открытие может ускорить широкое использование водородных топливных элементов, которые имеют большие перспективы в качестве эффективных, экологически чистых источников энергии для транспортных средств и других применений.

Это одно из открытий лаборатории Гектора Д. Абруньи в их постоянном поиске активных, недорогих и долговечных катализаторов для использования в щелочных топливных элементах.

"Это открытие способствует прогрессу в использовании эффективных, чистых водородных топливных элементов вместо ископаемого топлива", - сказал Абрунья, профессор кафедры химии и химической биологии Корнельского университета.

Результаты опубликованы 21 марта в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences в статье "Щелочной топливный элемент, полностью не содержащий драгоценных металлов, с улучшенной производительностью с использованием никелевого анода с углеродным покрытием".

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 мембранные топливные элементы с щелочным полимерным электролитом (APEMFC) позволяют использовать электрокатализаторы из недрагоценных металлов, им не хватает необходимой производительности и долговечности для замены систем на основе драгоценных металлов.

Топливный элемент вырабатывает электричество посредством реакции окисления водорода (HOR) и реакции восстановления кислорода (OOR). Платина, в частности, является модельным катализатором для обеих реакций, поскольку она эффективно катализирует их и долговечна в кислой среде топливного элемента PEM, сказал Абрунья.

Но как насчет других материалов?

Исследователи писали, что недавние эксперименты с электрокатализаторами HOR из недрагоценных металлов должны были преодолеть две основные проблемы: низкую внутреннюю активность из-за слишком сильной энергии связи водорода и низкую долговечность из-за быстрой пассивации в результате образования оксида металла.

Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи разработали электрокатализатор на основе никеля с 2-нанометровой оболочкой из легированного азотом углерода.

Их водородный топливный элемент имеет анод (где окисляется водород), катализатор, состоящий из твердого никелевого сердечника, окруженного углеродной оболочкой. В сочетании с кобальт-марганцевым катодом (где кислород восстанавливается) полученный водородный топливный элемент, полностью не содержащий драгоценных металлов, выдает более 200 милливатт на квадратный сантиметр.

По словам Абруньи, 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 эффективной.

Кроме того, наличие графенового покрытия на никелевом электроде предотвращает образование оксидов никеля, в результате чего срок службы электродов значительно увеличивается. Эти электроды также гораздо более устойчивы к окиси углерода, которая быстро отравляет платину.

"Использование этого нового анода значительно снизило бы цены, что позволило бы применять щелочные топливные элементы в самых разных областях", - сказал Абрунья.

В феврале Абрунья и его коллеги обнаружили, что катализатор из нитрида кобальта почти так же эффективен, как платина, в катализировании реакции восстановления кислорода.

Финансирование этого исследования было предоставлено Центром энергетических решений на основе щелочей, исследовательским центром энергетических рубежей, финансируемым Министерством энергетики США, Управлением науки, фундаментальных энергетических наук и исследовательской группой Чжуан в Уханьском университете, Китай, при поддержке Национального фонда естественных наук Китая.