Исследователи из Франции продемонстрировали потенциал нового катализатора топливной ячейки, идея структуры которого была подсказана строением ферментов-гидрогеназ.

Хотя активность нового катализатора еще не сравнилась с активностью платины, исследователи сообщают, что это первый биомиметический катализатор, работающий в условиях стандартной топливной ячейки.

Cтроение биомиметического никелевого катализатора выделения водорода, привитого к углеродной нанотрубке. (Рисунок из Science, 2009, DOI: 10.1126/science.1179773)

Водородная энергетика будущего предполагает получение электроэнергии за счет окисления водорода в топливных ячейках. Эта обратимая реакция (обратная окислению водорода реакция может быть представлена как восстановление воды и получение водорода в ходе электролиза) в технике и технологии может ускоряться катализаторами на основе платины. Тем не менее, в живой природе эволюционные процессы привели к тому, что природные системы окисления-восстановления водорода (ферменты-гидрогеназы) успешно справляются со своей задачей и без драгоценных металлов. Таким образом, копирование природного подхода к окислению водорода могло бы удешевить катализаторы топливных ячеек.

Винсент Артеро из Университета Фурье смогли существенно приблизиться к копированию систем окисления-восстановления, применив в качестве катализатора бисдифосфиновые комплексы никеля. Артеро поясняет, что именно в его исследовательской группе впервые было показана возможность применения в топливных ячейках сложного соединения, идея которого подсказана природой.

Артеро поясняет, что у большей части людей существует мнение, что соединения с относительно сложной структурой, «работающие» в лаборатории могут оказаться бесполезными для промышленности – они могут разлагаться в условиях высоких давлений, при нагревании и в сильнокислой среде. Однако комплексы никеля, разработанные в Университете Фурье, не разрушаются и, следовательно, могут быть использованы в условиях, аутентичных условиям современных топливных ячеек или электролизеров.

При ближайшем рассмотрении новый катализатор демонстрирует поражающую схожесть с металлопротеидами, послужившими моделью для него. Центральным элементом катализатора, как и железо-никелевых дегидрогеназ является атом никеля, который связан с дифосфиновым лигандом, оснащенным основным фрагментом N-H. Этот фрагмент подобен кофактору железо-железных дегидрогеназ и способствует контролю перемещения протона при окислении или восстановлении водорода. Исследователи из группы Артеро привили комплекс к электропроводным углеродным нанотрубкам, переносящим электроны к или от активного центра фермента, после чего система никелевый комплекс-нанотрубка была помещена в капсулу из полимера, предотвращавшую каталитическую систему от кислого гидролиза – эта полимерная оболочка моделирует защитные полипептидные фрагменты ферментов-гидрогеназ. В результате всех операций был получен катализатор, отличающийся высокой эффективностью и устойчивостью в широких границах экспериментальных условий.

Дизайн, в соответствии с которым создан новый катализатор, синтезированный в группе Артеро, разработан Дэном ДюБуа (Dan DuBois) из Института Межфазного катализа (Ричмонд, штат Вашингтон). Он подчеркивает, что экспериментаторы на практике показали, что существуют катализаторы достаточно сложной структуры, которые можно непосредственно применить в топливной ячейке. ДюБуа полагает, что хотя новые катализаторы уже демонстрируют хорошую производительность, есть реальная возможность увеличить их активность еще на два порядка. Как считает Артеро, активность нового катализатора может регулироваться за счет изменения объемных групп, применяемых для закрепления металлосодержащих фрагментов на нанотрубках.

Источник:

1. Science, 2009, DOI: 10.1126/science.1179773

2. http://www.chemport.ru