Катализатор на основе углерода также менее подвержен коррозии, чем материалы на основе металлов, и оказался более долговечным.Полученные результаты являются важными шагами на пути к коммерческому доступу недорогих катализаторов, что, в свою очередь, может снизить стоимость производства чистой энергии из топливных элементов PEM — наиболее распространенных элементов, которые тестируются и используются в автомобилях и стационарных электростанциях. Исследование было недавно опубликовано в журнале Science Advances.«Это определенно должно продвинуть эту область вперед», — сказал Лиминг Дай, профессор макромолекулярных наук и инженерии Кента Хейла Смита в Case Western Reserve и старший автор исследования. «Это крупный прорыв в коммерциализации».
Дай работал с ведущим исследователем Цзянлан Шуй, который был исследователем с докторской степенью CWRU, а сейчас является профессором материаловедения и инженерии в Университете Бейхан в Пекине; Аспирант Мин Ван, который провел часть тестирования; и постдокторант Фен Ду, который подготовил материалы. Эти усилия основаны на более ранней работе лаборатории Dai по разработке катализаторов на основе углерода, которые значительно превосходят платину в щелочных топливных элементах.Группа искала неметаллический катализатор для работы в кислоте, потому что стандартный носитель топливных элементов, элемент PEM, использует кислотный электролит. PEM обозначает как протонообменную мембрану, так и мембрану из полимерного электролита, которые являются взаимозаменяемыми названиями для этого типа ячейки.
По словам Дая, ключом к новому катализатору является его рационально спроектированная пористая структура. Исследователи смешали листы легированного азотом графена толщиной в один атом с углеродными нанотрубками и частицами сажи в растворе, затем высушили их замораживанием в композитные листы и укрепили их.Графен обеспечивает огромную площадь поверхности для ускорения химических реакций, нанотрубки увеличивают проводимость, а технический углерод разделяет графеновые листы для свободного прохождения электролита и кислорода, что значительно повышает производительность и эффективность. Исследователи обнаружили, что эти преимущества были потеряны, когда они позволили композитным листам укладываться в плотные стопки с небольшим пространством между слоями.
Топливный элемент преобразует химическую энергию в электрическую, удаляя электроны из топлива, такого как водород, на аноде или положительном электроде элемента. Это создает ток.
Образующиеся ионы водорода переносятся электролитом через мембрану к катоду или отрицательному электроду, где происходит реакция восстановления кислорода. Молекулы кислорода расщепляются и восстанавливаются за счет добавления электронов и объединяются с ионами водорода, образуя воду и тепло — единственные побочные продукты.Испытания показали, что пористый катализатор работает лучше и более долговечен, чем современный катализатор на основе недрагоценного железа.
Лаборатория Дая продолжает совершенствовать материалы и структуру, а также исследовать использование неметаллических катализаторов во многих областях чистой энергии.