Современные топливные элементы с протонообменной мембраной, нередко называемые «водородными батареями», признаны одними из самых чистых энергетических технологий. Они производят электроэнергию, используя водород и кислород, а единственным отходом становится вода. Сочетание высокой эффективности, мгновенного старта и полного отсутствия вредных выбросов делает такие элементы чрезвычайно привлекательными для транспортных систем, портативных гаджетов и стационарной энергетики.
Одной из главных преград для широкого распространения подобных решений долго оставалась высокая стоимость: в основе большинства коммерческих ТОТЭМ лежат катализаторы с платиновыми группами металлов. Платина не только труднодоступна, но и крайне дорогая, что существенно ограничивает массовое внедрение водородных энергоустановок.
Железо вместо платины: новый взгляд на катализ
Вдохновляя глобальное научное сообщество, исследовательский коллектив под руководством профессора ВАН Дань совместно с ZHAO Yasong предложил альтернативу ценным металлам. Учёные разработали инновационный железный катализатор, который может положить конец зависимости от платины и придать второе дыхание водородной энергетике.
Ключевым аспектом новой разработки стала уникальная архитектура с принципом "внутренней активации и внешней защиты". Эта структура позволила достичь выдающихся показателей эффективности и стойкости, ранее недоступных для железосодержащих материалов. Такой подход гарантирует, что катализатор не только работает на высшем уровне, но и сохраняет рабочие характеристики даже при длительной эксплуатации.
Уникальная наноструктура: внутренняя сила и внешняя защита
Ранее популярные железные катализаторы Fe/N-C основывались на активации на внешней поверхности углеродных или графеновых подложек. Такой способ сопряжён с массой недостатков: ограниченной доступностью активных центров, невысокой стабильностью и повышенной чувствительностью к химическим воздействиям. Особой проблемой остается сильное связывание кислородсодержащих промежуточных продуктов, что ухудшает скорость реакции и долговечность устройств.
Ответом на эти задачи стала разработка катализатора нового поколения – одноатомного железа на изогнутых внутренних поверхностях микроскопических полых частиц (CS Fe/N-C с HoMS-структурой). Крошечные наночастицы размером около 10 на 4 нм состоят из нескольких тончайших оболочек, в которых атомы железа размещены с удивительной плотностью именно во внутренних слоях.
Усовершенствованный механизм работы
Ядро катализатора содержит множество наночастиц железа, равномерно «встроенных» в двумерные углеродные слоя, формируя цельную многоуровневую структуру. Такой подход обеспечивает локализацию большинства железных атомов на внутренней поверхности, что открывает широкие горизонты для повышения каталитической активности. В то же время внешний слой, состоящий из графитированного азотсодержащего углерода, не только защищает внутренние компоненты, но и ослабляет прочность связи с промежуточными продуктами реакции кислорода.
Это способствует значительному подавлению образования вредных гидроксильных радикалов и создает микросреду, в которой взаимодействие между «ядром» и окружающей средой выстроено идеально. Итог – катализатор на основе железа способен конкурировать и даже превосходить лучшие платиновые аналоги по эффективности работы в ТОТЭМ.
Электронные и физические особенности: преимущества новой архитектуры
Численные анализы подтвердили: увеличение кривизны внутренней поверхности действительно увеличивает прочность связывания промежуточных соединений, что само по себе могло бы снизить активность катализатора. Однако введение в структуру внешней азотсодержащей оболочки с вакансиями железа коренным образом меняет ситуацию. Она вызывает выраженное электростатическое отталкивание между атомами азота и кислорода, присутствующими в промежуточных продуктах, что способствует более легкой десорбции кислорода и повышению эффективности реакции восстановления.
Исследования коллективов ВАН Дань и ZHAO Yasong зафиксировали выдающиеся показатели: всего 0,34 В перенапряжения при восстановлении кислорода. Такие результаты значительно опережают структурированные плоские катализаторы и позволяют добиться рекордной избирательности, подавления образования нежелательных побочных продуктов и фантастической долговечности.
Рекордная долговечность и производительность
Эксперименты показали, что инновационный катализатор на железной основе сохраняет производительность даже после 300 часов непрерывной работы, демонстрируя одни из лучших результатов в отрасли. Эта особенность открывает двери для использования ТОТЭМ в реальной промышленности и автотранспорте без риска быстрой деградации или падения мощности. Применение такой наноструктуры позволяет полностью отказаться от дорогостоящих платиновых металлов и значительно снизить себестоимость производства «зеленых» энергетических установок.
Перспективы и глобальное значение открытия
Разработка CS Fe/N-C катализаторов с архитектурой, предоставляющей внутреннюю активацию и внешнюю защиту, стала важной вехой для науки об альтернативной энергетике. Благодаря работе ВАН Дань и ZHAO Yasong, становится возможным массовое внедрение эффективных, экономичных и долговечных топливных элементов в самые разные сферы – от «чистого» транспорта до резервных источников питания и портативных устройств.
Появление таких катализаторов знаменует выход на новый этап – эпоху, когда экологически безопасная водородная энергетика станет частью повседневной жизни, обеспечивая устойчивое будущее для общества. Результаты работы этой международной команды учёных вселяют уверенность: новые технологии на основе железа готовы вывести чистую энергию на качественно иной уровень и укрепить позиции инноваций в мире.
Источник: scientificrussia.ru
