Однако топливные элементы сдерживаются медленной кинетикой в части основной химической реакции, которая ограничивает эффективность. Но исследователи из Техасского университета в Остине обнаружили новую динамику, которая могла бы ускорить эту реакцию с использованием одноатомных катализаторов на основе железа.

Исследователи разработали новый метод для улучшения процесса восстановления кислорода в химической реакции в топливных элементах, в ходе которой молекулы O2 расщепляются с образованием воды. Они сделали это с помощью "стратегии закрепления гидрогеля", которая создает плотно упакованные наборы атомов железа, удерживаемых на месте гидрогелевым полимером. Поиск правильной формулы для распределения этих атомов создал взаимодействия, которые позволили им превратиться в катализаторы для восстановления кислорода.

Выяснение плотности и динамики расположения этих атомов железа открывает невиданный ранее уровень эффективности в этой реакции. Исследователи продемонстрировали эти результаты в новой статье, опубликованной недавно в Природный катализ.

Реакция восстановления кислорода, пожалуй, является самым большим препятствием для крупномасштабного внедрения топливных элементов. Перспективность топливных элементов заключается в том, что их потенциальные области применения практически безграничны. Они могут использовать широкий спектр видов топлива и сырья для обеспечения энергией систем размером с коммунальную электростанцию и размером с портативный компьютер.

Академические исследователи по всему миру работают над расширением возможностей топливных элементов. Это включает в себя других инженеров Калифорнийского университета в Остине, которые используют различные подходы для решения ключевых проблем при разработке топливных элементов.

"Крайне важно заменить ископаемое топливо чистыми и возобновляемыми источниками энергии для решения основных проблем, от которых страдает наше общество, таких как изменение климата и загрязнение атмосферы", - сказал Гуйхуа Ю, адъюнкт-профессор материаловедения на факультете машиностроения школы Кокрелла Уокера. "Топливные элементы рассматривались как высокоэффективная и устойчивая технология преобразования химической энергии в электрическую; однако они ограничены медленной кинетикой реакции катодного восстановления кислорода. Мы обнаружили, что расстояние между атомами катализатора является наиболее важным фактором в максимизации их эффективности для топливных элементов следующего поколения".

Эти результаты могут быть применены ко всему, что включает электрокаталитические реакции. Это включает в себя другие виды возобновляемого топлива, а также вездесущие химические продукты, такие как спирты, оксигенаты, синтез-газ и олефины.

Помимо Ю, в число авторов входят Чжаоюй Цзинь из Техасского института материалов и химического факультета Калифорнийского университета; Панпан Ли и Чживэй Фанг из Техасского института материалов, а также Дан Сяо и Янь Мэн с факультета химической инженерии Сычуаньского университета в Китае. Команда потратила более двух лет на работу над этим проектом, и он финансировался Министерством энергетики США, Управлением науки, фундаментальными энергетическими науками; Фондом Уэлча; и премией Камиллы Дрейфус "Учитель-стипендиат".