Исследователи из США разработали новый катализатор электрохимического восстановления кислорода, в основе которого лежат углеродные нанотрубки. По их словам, новый материал может оказаться более эффективной и дешевой альтернативой платине в ряде топливных ячеек.

Вертикально расположенные углеродные нанотрубки, донированные азотом, могу использоваться в качестве катализатора для работы в топливных ячейках. (Рисунок из Science, 2009, 323, 760)

Исследовательская группа Лиминга Дая (Liming Dai) из Университета Дэйтона получила плотно упакованные, вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, донированные атомами азота. При использовании такой системы из нанотрубок в качестве катодов в сильнощелочном растворе они проявили большую каталитическую активность в восстановлении кислорода.

Исследователи предполагают, что такие системы из нанотрубок могут оказаться полезными в щелочных топливных ячейках, основные принципы работы которых были сформулированы десятилетия назад, однако пока еще коммерчески нежизненноспособных. Одна из причин, затрудняющая применение таких топливных ячеек в значительных масштабах, кроется в том, что в них используются платиновые катализаторы.

Ранее уже было известно, что углеродные нанотрубки, содержащие железо, являются эффективными катализаторами восстановления кислорода, поскольку железо-углеродные центры в них образуют активные центры. В группе Дая было продемонстрировано, что эффективный катализатор на основе углеродных нанотрубок может быть получен без использования металла, что предлагает новый механизм каталитической активности.

Дай описывает механизм действия следующим образом: В присутствии малого количества азота, содержащегося в стенках клетки, обычно в соотношении от 4 до 6 атомов азота на 100 атомов углерода (при этом азот обычно располагается в центре шестиугольника, образованного атомами углерода) происходит перенос электронной плотности с атомов углерода на азот, в результате чего соседние с азотом атомы углерода приобретают частично положительный заряд. При приложении к электроду потенциала атомы углерода восстанавливаются. Если кислород находится на поверхности электрода, атомы углерода легко отдают ему электроны, возвращаясь в электронодефицитное состояние.

Дай отмечает, что пока нельзя точно определить, насколько дорог будет новый катализатор для возможности его коммерциализации. Он поясняет, что с 1990 года стоимость производства нанотрубок уменьшилась в 100 раз, и ожидается ее дальнейшее падение. Он добавляет, что платина сама по себе является невозобновляемым природным ресурсом, запасы которого в природе ограничены.

Источники:

1. Science, 2009, 323, 760, DOI: 10.1126/science.1168049

2. http://chemport.ru