Ученые помещают катализатор в защитное молекулярное сито, которое избирательно предотвращает нежелательные реакции в топливных элементах на метаноле, — пишет eurekalert.org.

Из-за множества экологических проблем, вызванных использованием ископаемого топлива, многие ученые во всем мире сосредоточены на поиске эффективных альтернатив. Хотя большие надежды возлагаются на водородные топливные элементы, реальность такова, что транспортировка, хранение и использование чистого водорода сопряжены с огромными дополнительными затратами, что усложняет этот процесс для современных технологий. Напротив, метанол (CH3O3), один из видов спирта, не требует хранения в холодильнике, имеет более высокую плотность энергии и его легче и безопаснее транспортировать. Таким образом, переход к экономике на основе метанола — более реалистичная цель.

Однако для производства электроэнергии из метанола при комнатной температуре требуется топливный элемент с прямым метанолом (DMFC) — устройство, которое пока предлагает некачественную производительность. Одной из основных проблем DMFC является нежелательная реакция «окисления метанола», которая происходит во время перехода метанола, «то есть, когда он проходит от анода к катоду. Эта реакция приводит к разрушению платинового (Pt) катализатора, который является важным для работы ячейки. Хотя были предложены определенные стратегии для смягчения этой проблемы, до сих пор ни одна из них не была достаточно хорошей из-за проблем со стоимостью или стабильностью.

К счастью, в недавнем исследовании, опубликованном в ACS Applied Materials&Interfaces, группа ученых из Кореи предложила креативное и эффективное решение. Они изготовили — с помощью относительно простой процедуры — катализатор, состоящий из наночастиц Pt, заключенных в углеродную оболочку. Эта оболочка образует почти непроницаемую углеродную сетку с небольшими отверстиями, вызванными дефектами азота. Хотя кислород, один из основных реагентов в DMFC, может достигать Pt-катализатора через эти «дыры», молекулы метанола слишком велики, чтобы пройти через них. «Углеродная оболочка действует как молекулярное сито и обеспечивает селективность по отношению к желаемым реагентам, которые действительно могут достигать участков катализатора. Это предотвращает нежелательную реакцию ядер Pt», — объясняет профессор О Чжун Квон из Национального университета Инчхон (Корея), который руководил исследованием.

Ученые провели различные эксперименты, чтобы охарактеризовать общую структуру и состав приготовленного катализатора, и доказали, что кислород может пройти через углеродную оболочку, а метанол — нет. Они также нашли простой способ регулировать количество дефектов в оболочке, просто изменяя температуру на этапе термообработки. В последующих экспериментальных сравнениях их новый очищенный катализатор превзошел коммерческие Pt катализаторы, а также показал гораздо более высокую стабильность.

Профессор Квон работает над улучшением катализаторов топливных элементов в течение последних 10 лет, мотивируя это множеством способов, которыми эта технология может найти свое применение в нашей повседневной жизни. «DMFC имеют более высокую плотность энергии, чем литий-ионные батареи, и поэтому могут стать альтернативными источниками питания для портативных устройств, таких как ноутбуки и смартфоны», — отмечает он.

Учитывая будущее нашей планеты, переход на альтернативные виды топлива должен стать одной из главных целей человечества, и это исследование является замечательным шагом в правильном направлении.