Исследователи тестировали никелевый анод с углеродным покрытием для водородных топливных элементов

Исследователи из Корнелльского университета обнаружили, что никелевый анод с углеродным покрытием, которое легировано азотом, может выступать катализатора важных реакций в водородных топливных элементах, и при этом не содержать драгоценных металлов. Это открытие позволит ускорить широкомасштабное внедрение водородных топливных элементов. Они весьма перспективны в качестве эффективных и экологически чистых источников энергии для транспортных средств, а также в другом оборудовании.

Профессор кафедры химии и химической биологии Корнельского университета, Абрунья уверен, что сделанные ими открытия способствует расширению использования водородных топливных элементов в экономике вместо ископаемого топлива. Результаты работы исследовательской группы были опубликованы в статье под названием «Щелочный топливный элемент, полностью не содержащий драгоценных металлов, с улучшенными характеристиками с использованием никелевого анода с углеродным покрытием» в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Для современных моделей водородных топливных элементов требуются дорогие драгоценные металлы (например, платина). Эти металлы обеспечивают эффективный катализ реакций, в результате которых вырабатывается электричество. Существует топливные элементы с мембраной из щелочного электролита (APEMFC). Они позволяют использовать электрокатализаторы из металлов, которые являются не драгоценными. Но им недостаточно долговечности и производительности по сравнению с системами на основе драгоценных металлов.

Топливный элемент вырабатывает электричество в результате реакции окисления водорода (HOR) и реакции восстановления кислорода (OOR). Платина является модельным катализатором для обеих этих реакций. Как говорит Абрунья, платина устойчива в кислой среде топливного элемента PEM и обеспечивает эффективный катализ. А какова ситуация с другими материалами?

Исследователи в своей статье пишут, что недавние эксперименты с электрокатализаторами HOR из недрагоценных металлов были направлены на решение двух основных проблем.

• Низкая активность из-за слишком сильной энергия связи водорода.
• Небольшая долговечность из-за быстрой пассивации в результате образования оксида металла.

Для преодоления этих проблем учёные разработали электрокатализатор на основе никеля с 2-нанометровой оболочкой из углерода, легированного азотом.

Созданный исследователями водородный топливный элемент имеет анодный катализатор (на нём происходит окисление водорода). Он состоит из твёрдого никелевого ядра, которое окружено углеродной оболочкой. Катод в этой системе кобальт-марганцевый (с уменьшенным содержанием кислорода). Полученный водородный топливный элемент полностью не содержит драгоценных металлов и выдаёт больше 200 милливатт на см².

Как говорит Абрунья, собственные частицы оксида никеля на поверхности никелевого электрода замедляют реакцию окисления водорода. Поэтому было сделано углеродное покрытие, легированное азотом, которое выступает в роли защитного слоя. Оно также улучшает кинетику HOR, делая реакцию более быстрой и более эффективной. Наличие графенового покрытия на никелевом электроде предотвращает образование оксидов никеля и увеличивает срок службы электродов. Кстати, разработанные электроды значительно более устойчивы к угарному газу, который быстро отравляет платиновые катализаторы.

По мнению Абрунья, использование созданного ими электрода позволит снизить цены и использовать щелочные топливные элементы в самых разных областях народного хозяйства. Ещё в феврале Абрунья с коллегами обнаружили, что катализатор из нитрида кобальта почти так же эффективен, как платина, в катализе реакции восстановления кислорода.

Проведенное исследование было профинансировано Центром щелочных энергетических решений, Исследовательским центром Energy Frontier, финансируемым Министерством энергетики США, Управлением науки, фундаментальных энергетических наук и исследовательской группой Zhuang в Уханьском университете (Китай) при поддержке Национального фонда естественных наук Китая.

Результаты и описание исследования можно посмотреть здесь.