Ученые ИФХЭ РАН показали, что углеродные нанотрубки, допированные азотом, фосфором и серой, могут быть использованы в качестве катодных катализаторов топливных элементов вместо традиционных — значительно более дорогих — моноплатиновых. Активность допированных углеродных нанотрубок в реакции восстановления кислорода в щелочных электролитах приближается к активности платиновых катализаторов. Благодаря высокой каталитической активности, коррозионной стабильности и наличию на их поверхности большого числа активных центров, модифицированные углеродные нанотрубки могут быть использованы в качестве подложки для синтеза моно- и биметаллических катализаторов.

В прямых спиртовых топливных элементах модифицированные азотом и серой углеродные нанотрубки, используемые в качестве катодных катализаторов, толерантны к этанолу (в отличие от платиновых). Прямые щелочные этанольно-воздушные топливные элементы представляют большой интерес, потому что биосистемы производят в большом количестве жидкое топливо — этанол, который не требует создания специальных систем хранения и распределения.

Второй путь по созданию коммерчески более выгодных катализаторов связан не с полной заменой платины, а с уменьшением ее расхода. Наночастицы катализатора PtCoCr/C имеют структуру «ядро-оболочка». Поверхность (оболочка) наночастиц обогащена платиной, каталитическая активность и стабильность которой превосходит Pt в моноплатиновых катализаторах. Достигнутые характеристики являются результатом изменения структурных и электронных параметров, ослабления взаимодействия атомов платины в составе оболочки с молекулами воды электролита и снижения заполнения поверхности хемосорбированным кислородом. Это объясняет и увеличение скорости и селективности восстановления кислорода, и замедление коррозии при образовании сплавов платины с базовыми металлами и формировании структуры ядро-оболочка. В таком катализаторе расход платины в составе водородо-кислородного низкотемпературного топливного элемента оказывается в два с лишним раза ниже (при сохранении характеристик топливного элемента).

В составе топливных элементов платина является подходящим, но очень дорогим, катализатором для основных токообразующих реакций.

Руководитель группы гл.н.с. д.х.н. Богдановская Вера Александровна (ИФХЭ РАН) объясняет: «Нанокомпозитные каталитические системы, включающие модифицированные углеродные нанотрубки — будущее электрохимической энергетики. Мы наблюдали снижение перенапряжения реакции электровосстановления кислорода на 150 мВ, что свидетельствует об эффективности разработанного катализатора. Но пока, к сожалению, без платины нам не обойтись.»

Работы по целенаправленному созданию неплатиновых катализаторов, коммерчески более выгодных, чем платиновые, и обеспечивающие высокую активность и устойчивость к деградации в составе катодов щелочных топливных элементов, проводятся в рамках проекта «Фундаментальные исследования и разработка ключевых материалов в новых высокоэффективных щелочных мембранных топливных элементах» по гранту РФФИ (с 2019-2021 гг.), получившего поддержку, как один из лучших исследовательских проектов по приоритетным направлениям БРИКС. Ученые ИФХЭ РАН работают совместно со специалистами из Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва, Самарского государственного технического университета и с зарубежными коллегами из Китая и Индии.

Топливные элементы — электрохимические устройства, которые вырабатывают электрический ток и тепло из богатого водородом топлива. Топливные элементы включают анод, катод и электролит.

Со второй половины 20-го века топливные элементы были источниками электричества на космических кораблях и станциях. В настоящее время сфера их применения значительно расширилась: топливные элементы используются как полноценные источники энерго- и теплоснабжения предприятий, находящихся вдали от крупных энергетических систем: нефтяных платформ, газотранспортных магистралей, стратегических объектов, различных домов и учреждений в сельской местности. С недавнего времени топливные элементы стали применять в автомобилях (Honda, Hyundai, General Motors, Mercedes Benz и др.).