Российские химики создали катализатор для топливных элементов из графен-тефлонового аэрогеля

 

Пористый нанокомпозит на основе оксида графена и тефлона, способный улучшить характеристики топливных элементов, синтезировали и изучили сотрудники Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН и Института проблем химической физики РАН, Черноголовка. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Energy & Fuels.

Топливный элемент преобразуют химическую энергию в электрическую. Схематично он состоит из двух электродов, анода и катода, пространство между которыми заполнено электролитом. На анод подается поток водорода. Просачиваясь сквозь пористый материал анода, водород распадается на протоны и электроны. Протоны устремляются к катоду через электролит, способный проводить протоны и не способный – электроны. Последним ничего не остается, как потечь по внешней электрической цепи и совершить полезную работу. На катоде электроны и протоны соединяются с подаваемым извне кислородом с образованием воды и тепла.

 

Принцип работы топливного элемента. Источник: Geek.com

 

Благодаря экологичности и высокому КПД (более 60%) топливные элементы могут стать основным источником электроэнергии в быту и промышленности. Они уже используются как источник электричества, тепла и воды для космических аппаратов и в качестве энергоустановки для электромобилей и беспилотников. Этим занимается Центр компетенций по технологиям новых и мобильных источников энергии при ИПХФ РАН. Компания Toshiba выпускает мобильные водородные электростанции Н2One, снабжающие электричеством и горячей водой небольшие районы или организации, например, железнодорожную станцию.

Одним из способов модернизации топливных элементов является поиск более эффективных электродов. Для создания катода используется пористая подложка, на которую наносится тонкий слой платины. От материала подложки зависит скорость химической реакции восстановления кислорода: чем она быстрее, тем больше топливный элемент вырабатывает электроэнергии. Перспективный материал для этих целей представили сотрудники Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН и Института проблем химической физики РАН, Черноголовка.

Это легкий и прочный композит, состоящий из тефлона и оксида графена. Их сочетание формирует губчатую структуру аэрогеля из пор разного размера – от единиц нанометров, до десятков микрометров. Покрытый платиной графен-тефлоновый аэрогель ученые использовали в качестве катода для топливного элемента. При определенных условиях энергоэффективность топливного элемента увеличилась вдвое.

 

А - фотография гранул аэрогеля; B - внутренняя структура гранулы аэрогеля. Источник: Yury M. Volfkovich et al. / ACS Energy & Fuels

 

Причина - в уникальном сочетании гидрофобных свойств тефлона и гидрофильных – оксида графена. Мелкие поры аэрогеля хорошо смачиваются водой и водным электролитом, крупные воду отталкивают. Во время работы топливного элемента мелкие поры заполняются водой из раствора электролита, а крупные остаются пустыми и пропускают через себя подаваемый извне кислород. Такая конфигурация ускоряет реакцию восстановления кислорода до воды на платине. В результате, топливный элемент вырабатывает электроэнергию более эффективно, чем применяемые сейчас топливные элементы с подложкой в виде сажи Vulcan XC-72.

Ранее мы рассказывали о гибком, мощном аккумуляторе на основе пористого графена, и сообщали о том, как графен увеличивает емкость литий-ионных аккумуляторов. Приобрести оксид графена и другие двумерные материалы можно в Русграфен.Маркете.