Катализаторы на основе железа, азота и углерода могут заменить более дорогие платиновые катализаторы, которые в настоящее время используются в топливных элементах. Это показано в исследовании, проведённом учёными из Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) и университетов в Тарту и Таллинне, Эстония. Исследование [опубликовано](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c14955) в журнале ACS Nano.
Наблюдения и анализ на BESSY II
На BESSY II команда наблюдала за формированием сложных микроструктур в различных образцах. Затем они проанализировали, какие структурные параметры особенно важны для стимулирования предпочтительных электрохимических реакций. Сырьём для таких катализаторов является хорошо разложившийся торф.
Преобразование химической энергии в электрическую
Топливные элементы преобразуют химическую энергию водорода непосредственно в электрическую энергию, производя только воду. Топливные элементы могут стать важным компонентом климатически нейтральной энергетической системы. Наибольший потенциал для улучшения заключается в снижении затрат за счёт замены электрокатализаторов, которые в настоящее время основаны на драгоценном металле платине.
Катализаторы на основе углерода
Катализаторы на основе углерода, содержащие железо и азот, являются перспективным вариантом для этой цели и могут использоваться в топливных элементах с анионно-обменными мембранами. Такую комбинацию можно найти, например, в хорошо разложившемся эстонском торфе. Материалы на основе углерода обладают замечательными свойствами: некоторые из них высокопористые со взаимосвязанными порами разных размеров, которые напоминают проходы в колонии муравьёв.
Атомы водорода и кислорода могут мигрировать через эти проходы, пока не достигнут каталитически активных участков, где фактически могут протекать желаемые реакции. Конечный продукт, вода, также транспортируется таким образом.
«Изменяя иерархическую структуру катализатора, размер и толщину стенок пор, мы можем производить материалы с очень разными свойствами», — говорит Рутха Ягер, первый автор исследования из Тартуского университета.
Исследование структурных характеристик
Энели Хярк, электрохимик и учёный, занимающийся малоугловым рассеянием рентгеновских лучей в HZB, формулирует исследовательский вопрос следующим образом: «Мы стремились понять, почему один из электрокатализаторов Fe-N-C продемонстрировал исключительную эффективность и селективность, с производительностью, сравнимой с лучшими катализаторами из неблагородных металлов, в то время как другие образцы Fe-N-C работали не так хорошо».
С помощью метода малоуглового рассеяния рентгеновских лучей на BESSY II они исследовали ключевые структурные характеристики: иерархическую пористость, структурный беспорядок и расстояние взаимодействия между активными центрами внутри пор.
«Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей предоставляет подробную и количественную информацию о кривизне пор и соотношении между размером пор и толщиной стенок пор — параметрах, которые трудно измерить напрямую другими методами», — объясняет Хярк.
Вместо того чтобы полагаться на метод проб и ошибок, команда разработала систематическое исследование. Пять образцов были синтезированы одновременно при различных температурах синтеза от 800 до 1000 °C и с использованием различных модификаторов пор для систематического изменения структуры пор и стенок пор.
Эти образцы вместе с коммерческим катализатором были охарактеризованы на BESSY II с использованием аномального малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (ASAXS) и обычного SAXS для определения их структуры пор и распределения активных центров. Материалы впоследствии были протестированы в качестве катализаторов реакции восстановления кислорода, чтобы эмпирически соотнести структурные особенности с электрохимическими характеристиками.
Из рентгеновских исследований команда вывела 13 структурных параметров, влияющих на каталитические характеристики, включая пористость, беспорядок и кривизну пор.
«Малоугловое рассеяние, по сути, предоставляет нам точную карту муравейника, а электрохимическое поведение катализатора показывает нам, как „муравьи“, то есть молекулы, движутся внутри него», — объясняет Хярк.
Одним из результатов является то, что при кривизне пор не менее трёх нанометров восстановление кислорода до воды происходит наилучшим образом, а образование вредного пероксида водорода также минимизируется.
«Мы знали, как материалы работают в принципе с точки зрения электрохимии и что иерархическая пористость материала важна, но почему один из них работает лучше, оставалось загадкой. Теперь, однако, мы наконец смогли раскрыть структурные нюансы, которые способствуют реакции», — говорит Ягер.
Поскольку Fe-N-C можно синтезировать из хорошо разложившегося торфа, материал действительно экологически чист. «Эстонские месторождения предлагают перспективный ресурс для производства высокотехнологичных функциональных материалов», — добавляет Ягер.
Результаты демонстрируют жизнеспособный путь от торфа к функциональным топливным элементам, потенциально снижая затраты системы и повышая устойчивость.
Предоставлено Helmholtz Association of German Research Centres.