Топливные элементы с водородом (H2) реагируют с газами H2 и кислородом (O2) с образованием энергии. Чтобы это произошло, необходимо несколько связанных химических реакций, две из которых требуют катализаторов.
Первый шаг — раздельное производство двух газов. Самый распространенный способ сделать это — расщепить или «расщепить» воду электрическим током в процессе, называемом электролизом. Затем топливный элемент должен способствовать окислению H2.
Это требует уменьшения O2, что дает воду. Однако катализаторы, доступные в настоящее время для этих реакций, либо слишком дороги и требуют слишком много энергии для практического использования, либо они производят нежелательные побочные продукты.
Итак, команда И Цуй из Стэнфордского университета и Джеймс Геркен и Шеннон Шталь из Висконсинского университета в Мэдисоне независимо друг от друга искали новые материалы для этих реакций.Группа Цуй работала над первой реакцией, разработав новую группу пористых материалов для расщепления воды.
В частности, они использовали обильные на земле оксиды металлов, которые стоят недорого. Оксиды также очень стабильны, вступая в реакцию в воде в течение 100 часов, что значительно лучше, чем то, что исследователи сообщили для других материалов из неблагородных металлов. Что касается восстановления кислорода, Геркен и Шталь показывают, как каталитическую систему, обычно используемую для аэробного окисления органических молекул, можно использовать для электрохимического восстановления O2. Несмотря на дополняющие друг друга цели, два исследования расходятся в подходах: команда Стэнфорда демонстрирует прочные оксидные материалы, в то время как исследователи из UW-Madison использовали преимущества недорогих безметалловых молекулярных катализаторов.
Вместе эти результаты демонстрируют мощь и широту химии в продвижении вперед технологии топливных элементов.