Новости перспективных технологий

Создан высокоэффективный катод для топливных ячеек и металл-воздушных батарей

Изображение с сайта science.compulenta.ru

Говорим ли мы о топливных элементах или батареях, основа любой электрохимической ячейки — это качественные электроды. Корейские и американские исследователи представили новый материал для создания высокоэффективных электродов на основе меламиновой пены и высокодисперсного аморфного углерода. Сильная пористость способствует быстрому массопереносу, а большое число каталитических центров резко увеличивает восстановительную активность нового катода по кислороду при его использовании в топливных ячейках или металл-воздушных батареях.

Реакция, протекающая на катодах топливных ячеек и металл-воздушных батарей, представляет собой электрохимическое восстановление кислорода. Эта трансформация протекает очень трудно и медленно, лимитируя производительность всего устройства. Роль каталитического катода заключается в том, чтобы помочь кислороду прореагировать с водой, отобрав у неё электроны с образованием гидроксильных ионов. Проблема же в том, что в сложной системе, включающей твёрдые, жидкие и газообразные реагенты, транспортные процессы слишком неторопливы: это вызывает эффект кинетического ингибирования, особенно в случае разряда протекающего с высокими плотностями тока.

Группа исследователей из Технологического института штата Джорджия под руководством Мейлиня Лю, работавшая вместе с корейскими коллегами над созданием нового катода (фото Gary Meek / Georgia Institute of Technology).

Решением проблемы стали катоды на основе пористого углерода (высокодисперсного аморфного углерода), на котором равномерно диспергирован высокоактивный металлический катализатор, такой как платина. В этом случае наблюдается эффективная минимизация упомянутого выше кинетического ингибирования. К сожалению, такие катоды дороги и не очень стабильны, что делает их непрактичными при массовом использовании. Такое положение дел, по-видимому, не давало покоя учёным из Национального института науки и технологий (Южная Корея) и Технологического института штата Джорджия (США), которые поставили себе цель создать экономически выгодную альтернативу.

Сначала учёные обработали меламиновую пену хлоридом железа, а также электропроводящим техническим углеродом, допированным азотом. Продукт был карбонизирован, а затем экстрагирован серной кислотой. Образовавшиеся микроскопические тетраподы меламина, увешенные наночастицами технического углерода, обладали очень развитой поверхностью и множеством активных каталитических центров (Fe/Fe₃C и CN-группы). Катоды, созданные из нового материала, отличались большим количеством пор, позволяющим осуществлять быстрый массоперенос, и в целом продемонстрировали высокую эксплуатационную надёжность и производительность, сравнимую с эффективностью металлических катодов (платина на угле), но по куда более низкой цене.

Более подробную информацию о новых катодах можно узнать из статьи, опубликованной в журнале Angewandte Chemie.

Информация с сайта science.compulenta.ru по материалам Angewandte Chemie.

Автор оригинального текста: Роман Иванов.