Топливные элементы с протонообменной мембраной давно называют технологией завтрашнего дня. Они вырабатывают энергию из водорода и кислорода, оставляя после себя только воду. Но на пути к массовому внедрению стояла одна проблема — платина, дорогая и дефицитная. И вот исследователи из Китая нашли решение: заменить её железом, но в необычной форме.
ТОТЭМ работают эффективно, но их слабое место — катализатор. Именно он запускает реакцию восстановления кислорода, но при этом быстро теряет свойства, если выполнен из стандартных материалов. Платина справлялась лучше всех, однако её цена и ограниченные запасы делали массовое производство нерентабельным.
Команда профессора Ван Дань представила альтернативу: катализатор на основе железа с уникальной структурой, получившей название «внутренняя активация, внешняя защита». Его основа — наночастицы оксида железа, встроенные в многослойные углеродные оболочки. Внутренние изогнутые поверхности активируют реакцию, а внешние слои защищают от разрушения и ослабляют нежелательные связи.
Такое сочетание решает сразу несколько проблем. Во-первых, катализатор устойчив к реакциям Фентона, которые обычно вымывают металл и снижают срок службы. Во-вторых, он препятствует образованию опасных радикалов и побочных продуктов. В-третьих, обеспечивает рекордную стабильность: устройство сохранило активность после 300 часов непрерывной работы.
Расчёты показали, что именно взаимодействие внутреннего и внешнего слоев создаёт особую микросреду: атомы азота во внешней оболочке отталкивают кислородные молекулы и предотвращают их «прилипание». Это позволяет ускорить реакцию и снизить перенапряжение до 0,34 В — показатель, который ранее был недостижим без платины.
Исследователи уверены, что их разработка открывает путь к новому поколению водородных аккумуляторов. Если такие катализаторы будут внедрены в промышленность, экологически чистые топливные элементы перестанут быть дорогой экзотикой и смогут конкурировать с привычными батареями и ДВС.
Источник: Institute of Process Engineering
