Модифицированная платина для водородных элементов

Новая форма платины, созданная химиками из Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Стэнфорде (SLAC National Accelerator Laboratory) и Университета Хьюстона (University of Houston), США, может лечь в основу новых дешевых и эффективных топливных элементов. Как сообщает агентство «ИнформНаука», посвященная работе статья была опубликована в журнале Nature Chemistry.

«Это значительный шаг вперед», — пишет Андерс Нильссон, научный сотрудник в Стэнфордском институте наук о материалах и энергии (Stanford Institute for Materials and Energy Sciences) — совместном учреждении лаборатории SLAC и Университета Хьюстона. «Топливные элементы были изобретены более 100 лет назад. Они пока что не заняли подобающее им место среди современных технологий — отчасти именно из-за затруднений с платиной».

Водородные топливные элементы очень перспективны в плане выработки экологически чистой энергии, поскольку на выходе у них не выделяется никаких вредных веществ — только чистая вода. Но современная конструкция водородных топливных элементов требует больших количеств такого дорогого металла, как платина — до 100 граммов платины на один элемент, поэтому и цены на водородные элементы зашкаливают за тысячи долларов.

Благодаря переводу платины в более химически активную форму, стэнфордские ученые смогли уменьшить расход платины на 80 процентов и надеются в ближайшее время урезать его еще вдвое, до 10% от привычного количества. Таким образом, цена топливных элементов должна уменьшиться в разы.

Водородные топливные элементы по принципу работы похожи на электрические батареи — электроны срываются с анода и собираются на катоде, на другом конце электрической цепи. Для выработки энергии используется реакция водорода с кислородом: когда молекулы кислорода входят в металлический катод, они разделяются на отдельные атомы, те взаимодействуют с водородом, образуя воду — и высвобождая некоторое количество энергии. Выбор металла для катода очень важен: одни металлы не могут катализировать расщепление кислорода на атомы, другие сами связывают его, препятствуя окислению водорода. Платина в этом смысле — идеальный материал, но уж очень дорогой. Попытки заменить ее более дешевыми веществами пока не увенчались сколько-нибудь значительным успехом.

С 2005 году доктор Петер Штрассер (Peter Strasser) из Университета Хьюстона занимался поиском решения этой проблемы, но не через замену платины каким-либо другим металлом, а через увеличение химической активности самой платины.

Этого Штрассеру и его коллегам удалось добиться, пользуясь разложением сплавов. Сначала был создан ряд сплавов платины с медью. Затем из поверхностной области сплава удаляли медь, оставляя только платину. Обнаружилось, что реактивность платины как катализатора после этого процесса существенно возросла, но причины этого явления оставались непонятными.

С помощью стэнфордского синхротронного источника света Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) удалось изучить прошедшие обработку образцы платины и выяснить причину увеличения реактивности. Оказалось, что она связана с деформацией кристаллической решетки — изменением расположения атомов платины в материале. При сближении поверхностных атомов они слабее реагируют с атомами кислорода и меньше их связывают — но платина все еще выступает прекрасным катализатором при расщеплении молекулярного кислорода и его реакции с водородом. Таким образом, для достижения того же результата понадобится существенно меньше платины. Подобную гипотезу Штрассер публиковал еще в 2007 году, но ее проверка заняла почти три года.

«Расстояние между двумя соседними атомами влияет на их электронную структуру, — пишет Штрассер. — Изменяя расстояние между атомами, мы можем регулировать прочность образуемых ими связей».

Ученые намерены продолжать работу с модифицированной платиной и SSRL, изучая поведение платины в реакциях с кислородом. Возможно, в будущем таким образом удастся создать эффективную замену не только двигателям внутреннего сгорания, но и батарейкам для небольших электронных устройств.