Одним из основных компонентов протоннобменных водородных топливных элементов (именно такие используются, например, во всех образцах водородного транспорта) является платиновый катализатор, который вносит значительный вклад в стоимость конечного изделия. Поэтому во многих лабораториях проводятся исследования, которые призваны заместить платиновый катализатор на более дешевый.
Группа ученых, возглавляемая химиками из Имперского колледжа Лондона (Великобритания) предложила новый катализатор на основе железа, углерода и азота. Исследование опубликовано в журнале Nature Catalysis.
Катализаторы на основе железа, нанесенного на матрицу NC, известны давно, однако для их эффективной работы очень важно обеспечить высокую плотность активных центров железа на матрице. До сих пор химикам удавалось достичь показателя в 1-3 массовых процентов железа: дальнейшему увеличению плотности мешало образование наночастиц железа. В новой работе авторы сформировали углерод-азотную матрицу с использованием цинка, а затем провели реакцию замещения цинка на железо. В результате исследователям удалось добиться размещения единичных атомов железа на матрице без образования наночастиц и достичь уже 7 массовых процентов железа, причем исключительно в одноатомном варианте активных центров (один атом железа связан с четырьмя атомами азота). Это удалось подтвердить мессбауэровской спектроскопией.
Авторы сообщают, что в результате катализатор обеспечивает очень хорошие показатели плотности тока топливного элемента. Дело «за малым» — обеспечить еще и такую же высокую стабильность и циклируемость катализатора, как и у платины.
https://doi.org/10.1038/s41929-022-00772-9
На фото: процесс приготовления катализатора и снимки его частиц, сделанные при помощи электронной микроскопии