Американские учёные из Университета Западного резервного района создали новый вариант катализатора на основе углеродных нанотрубок, предназначенного для топливных элементов.

Характеристики топливных элементов во многом зависят от того, насколько эффективно катализуется реакция восстановления кислорода. Традиционные катализаторы — платина и композитные материалы на её основе — хорошо справляются с задачей, но серьёзно повышают стоимость готовых элементов: килограмм платины оценивается примерно в 65 тысяч долларов.

Несколько лет назад авторы провели удачные эксперименты, в которых место платины занимали легированные азотом углеродные нанотрубки.

«Хорошие каталитические свойства нанотрубок мы связали с электроноакцепторной способностью атомов азота, — рассказывает участник исследований Лимин Дай (Liming Dai). — За счёт внутримолекулярного переноса заряда расположенные рядом атомы углерода приобретали положительный результирующий заряд, что в конечном итоге ускоряло реакцию восстановления кислорода. К сожалению, химический процесс подготовки углеродных наноматериалов с ковалентно связанными атомами азота оказался трудоёмким и весьма затратным».

Рис. 1. Процесс подготовки катализатора и перенос последнего на стеклоуглеродный электрод. Сначала на массив углеродных нанотрубок, расположенных на кремниевой подложке, методом центрифугирования наносят раствор полидиаллилдиметиламмония хлорида (ПДАДМАХ) и дают ему высохнуть, после чего ещё несколько раз повторяют эти операции. Затем массив отделяют от подложки с помощью плавиковой кислоты и переносят на электрод. Сверху показана химическая структура ПДАДМАХ. (Иллюстрация авторов работы).

Теперь химики нашли возможность избавиться от азота и упростить технологию. Улучшенный вариант катализатора имеет аналогичный принцип действия, но использует межмолекулярный перенос заряда и электроноакцепторные свойства полимера — полидиаллилдиметиламмония хлорида. Обрабатывать заготовки раствором этого полимера несложно, и один килограмм «активированных» нанотрубок будет стоить около ста долларов.

При размещении на катоде щелочного топливного элемента такой катализатор ни в чём не уступал платиновому; более того, он продемонстрировал повышенную стабильность работы и увеличенный срок службы.

Рис. 2. Упорядоченный массив углеродных нанотрубок (иллюстрация авторов работы).

Результаты исследований опубликованы в статье:

huangyin Wang, Dingshan Yu, and Liming Dai Polyelectrolyte Functionalized Carbon Nanotubes as Efficient Metal-free Electrocatalysts for Oxygen Reduction. – J. Am. Chem. Soc. – Publication Date (Web): March 17, 2011.