Топливному элементу перекрыли кислород

Ключевые слова:  топливный элемент

Опубликовал(а):  Шуваев Сергей Викторович

Как это ни прискорбно, но углеводородное сырье в недалеком будущем исчерпается. Поэтому развитие альтернативных источников энергии - это не просто модный тренд или прихоть экологов, а жизненная необходимость. В настоящее время одними из наиболее перспективных источников энергии являются топливные элементы с протонно-обменной мембраной (PEMFC). Однако наряду с неоспоримыми преимуществами, среди которых стоит отметить высокую плотность тока и устойчивый к воздействию внешней среды электролит, есть и существенные недостатки, например, поляризационные потери (более 0.3-0.4 В), вызванные высокой энергией активации восстановления кислорода на катоде. Подбор иного, чем дорогая платина, катализатора не дал ощутимых результатов, поэтому было решено двигаться по другому пути - по пути поиска подходящей замены кислороду.

Коллектив южнокорейских ученых предложил в качестве замены кислороду нитрат-ион, который, при использовании все той же платины в качестве катализатора, обладает куда лучшей кинетикой. Однако здесь не обошлось без иного рода трудностей - селективность реакции восстановления именно до нитрит-иона при использовании платины оставляет желать лучшего. Поэтому авторы статьи приложили усилия для поиска альтернативного катализатора. На эту роль был предложен так называемый углерод, допированный азотом (N-doped C). Для этого исследователи смешали нитрат железа, меламин и углеродную сажу, и прокалили эту смесь в атмосфере азота при 700⁰С. Получившийся катализатор состоит из сферических частиц со средним диаметром 30 нм (рис.1).

Наклон кривой на рисунке 2 соответствует кривой активации восстановления нитрат-ион, которая равна 2.56-2.36 кКал/моль, что существенно меньше, чем в случае восстановления кислорода (около 40 кКал/моль).

Анализируя поляризационную кривую (рис.3а), хотелось бы отметить, что напряжение холостого хода в случае восстановления нитрат-ион (1.03 В и 1.04 В для углеродного и платинового катализаторов, соответственно) выше такого в случае кислорода , что также свидетельствует о преимуществе предложенного авторами статьи топливного элемента. Ну и довершение, плотность тока в диапазоне напряжений 0.9-0.7 В также гораздо выше в случае "нитратного" топливного элемента - 250-568 мА/см² против 22-315 мА/см² для воздушного элемента (обе величины приведены для случая использования платинового катализатора).