Теперь под рукой может быть альтернативный безметалловый катализатор для топливных элементов. В исследовании, опубликованном 15 июля в ACS Central Science, группа химиков из Университета Висконсин-Мэдисон представляет новый подход, в котором вместо твердых катализаторов используется система молекулярных катализаторов.
Хотя молекулярные катализаторы исследовались и раньше, более ранние примеры были намного менее эффективны, чем традиционный платиновый катализатор.Топливный элемент преобразует химическую энергию в электричество, реагируя на водород и кислород на двух разных электродах. Катализатор делает реакцию более эффективной.Профессор химии UW-Madison Шеннон Шталь и лаборант Джеймс Геркен черпали вдохновение из предыдущей работы своей группы с катализаторами, которые используют кислород в приложениях для химической промышленности.
Они заметили поразительное сходство между этими реакциями аэробного окисления и кислородной реакцией в топливных элементах и решили посмотреть, можно ли применить аналогичный подход к топливным элементам.Новый катализатор состоит из смеси молекул, называемых нитроксилами и оксидами азота. Эти молекулярные партнеры хорошо взаимодействуют друг с другом; один хорошо реагирует с электродом, а другой эффективно реагирует с кислородом.«Хотя эта комбинация катализаторов ранее использовалась при аэробном окислении, мы не знали, будет ли она хорошим катализатором для топливных элементов», — говорит Шталь. «Оказывается, это самая эффективная молекулярная каталитическая система, о которой когда-либо сообщалось».
Поскольку этот подход включает химические реакции между газами, жидкостями и твердыми телами, переход от концепции к демонстрации был непростым делом. Геркен потратил месяцы на изучение и оптимизацию каждого компонента системы, которую они придумали, прежде чем тестировать все в модельной системе.
«Эта работа впервые показывает, что молекулярные катализаторы могут приблизиться к эффективности платины», — говорит Геркен. «И преимущество молекул в том, что вы можете продолжать изменять их структуру, чтобы взбираться дальше в гору и добиваться еще большей эффективности».