Топливные ячейки способны служить эффективным и экологичным источником энергии для автомобилей, компьютеров и силовых установок, но их применение ограничено высокой стоимостью. Причина этого в том, что ключевым компонентом ячеек является платина.

В своём докладе исследователи из Университета Калифорнии в Риверсайде сообщают о создании недорогого, эффективного катализатора для топливных ячеек типа полимер-электролит-мембрана (ПЭМ), которые преобразуют химическую энергию водорода в электричество, и являются самыми многообещающими для питания автомобилей и электроники.

Этот катализатор сделан из пористых углеродистых нановолокон, в которые внедрено соединение на основе относительно распространённого металла, кобальта, который в 100 раз дешевле платины. Исследованием руководил профессор Дэвид Кисайлус.

Топливные ячейки, уже используемые автопроизводителями, имеют преимущества перед традиционной технологией внутреннего сгорания — более высокий КПД, более тихая работа и меньшие выбросы. Водородные выделяют только воду.

Как и аккумуляторы, топливные ячейки являются электрохимическими устройствами, состоящими из положительного и отрицательного электродов, разделённых электролитом. Когда на анод впрыскивается топливо — водород, катализатор разделяет молекулы водорода на положительно заряженные протоны и отрицательные электроны. Электроны выводятся во внешнюю цепь, где совершают работу — например, приводят в действие электромотор, а затем воссоединяются с положительно заряженными ионами водорода с образованием воды.

Критичным фактором при внедрении топливных элементов является стоимость платины, поэтому разработка альтернативного катализатора существенно способствовала бы их применению.

Подпись к изображению: Углеродные волокна с внедрёнными активными наночастицами (вверху) можно объединить в лёгкий и гибкий конструкционный материал (внизу)

Используя технику электропрядения, исследователи создали листы толщиной с бумагу из углеродных нановолокон, включающих ионы металлов — кобальта, железа или никеля. При нагревании ионы образовывали наночастицы металла, катализирующие превращение углерода в высокоэффективный графитовый углерод. Затем наночастицы металла и остаточный неграфитовый углерод окислялись, создавая очень пористую структуру — сеть из наночастиц оксида металла, распределённых в графитовой решётке.

Группа Кисайлуса, совместно с коллегами из Стэнфордского университета, установили, что новые материалы работают так же хорошо, как и обычные, основанные на углероде и платине, но обходятся многократно дешевле.

«Основа высокой эффективности этих материалов —это сочетание химии и методов работы с волокнами, — говорит профессор. — Замечательные электрохимические свойства объясняются эффектом синергии при взаимодействии оксида металла с открытыми активными участками и трехмерной пористой графитовой структурой».

Профессор Кисайлус отметил, что дополнительное преимущество каталитического нанокомпозита состоит ещё и в том, что будучи основанным на графитовых волокнах он обладает свойственными им прочностью и долговечностью, что позволяет материалу служить одновременно и катализатором, и формообразующим компонентом.

«Для транспортных средств чрезвычайно важно снижение веса как самого корпуса, так и источника энергии. Созданный нами материал даст возможность автопроизводителям превратить конструкционные элементы, такие как верх кузова или шасси, в источники энер