Вуглецево-азотне покриття поліпшило роботу нікелевого аноду
Американські і китайські вчені отримали рекордно ефективний водневий паливний елемент без благородних металів. Вони нанесли на нікелевий електрод тонке графенове покриття, яке одночасно полегшує зв'язування водню і оберігає електрод від окислення. Результати дослідження опубліковані в журналі
У лужному водневому паливному елементі на аноді водень Н2 окисляється до води Н2О, а на катоді кисень О2 відновлюється до гідроксил-іонів ОН-. Щоб прискорювати реакції, на обидва електроди наносять шар каталізатора - найчастіше це платина, іридій та їх сполуки. Вчені шукають способи замінити дорогі платинові метали на більш доступні матеріали (бажано відразу на обох електродах), але зробити це не так просто. Для лужних паливних елементів з полімерним електролітом вже розробили ефективні катодні каталізатори на основі марганцю, кобальту і заліза. Оптимізувати роботу анода виявилося важче. Кращі результати показують нікелеві аноди, але навіть вони все ще приблизно на два порядку менш ефективні, ніж платинові. Крім того, в процесі окислення водню нікель поступово пасивується, покривається плівкою оксиду нікелю NiO, тому з часом такі аноди працюють гірше.
Поліпшити роботу нікелевого аноду зуміли американські і китайські матеріалознавці під керівництвом Гектора Абруни (Hector D. Abruna) з Університету Корнелла. Вчені вирішили покрити нікелевий анод тонким шаром графена з добавками азоту. Таке покриття уповільнює окислення нікелю, в той же час невеликі молекули водню можуть вільно проходити через нього, тому роботі електрода воно не заважає.
Аноди з покриттям отримували термічним розкладанням ацетату нікелю і сечовини. Просвічуюча растрова електронна мікроскопія (STEM) та електронна спектроскопія енергетичних втрат підтвердили, що на поверхні нікелю утворюється однорідний шар легших елементів - вуглецю та азоту. Залежно від співвідношень сечовини і ацетату нікелю, товщина покриття змінювалася від одного до п'яти нанометрів, оптимальною товщиною автори порахували два нанометри.
У парі з платиновим катодом Ni @ CNx анод демонструє щільність потужності в 480 міліват на квадратний сантиметр - майже вчетверо більше, ніж анод без покриття в тих же умовах. Якщо замінити платиновий катод, на катод на основі марганцю, щільність потужності очікувано знижується до 210 міліват на квадратний сантиметр. Тим не менш, для паливних елементів без благородних металів це рекордне значення. Як і очікували вчені, покриття помітно поліпшило також стабільність матеріалу - Ni @ CNx аноди пропрацювали десять тисяч циклів, втративши менше десяти відсотків щільності струму, а електроди без покриття в таких же умовах втратили більше вісімдесяти відсотків щільності струму.
Щоб з'ясувати причини такого істотного поліпшення ефективності та стабільності, автори використовували метод квантово-хімічних розрахунків. Виявилося, що покриття полегшує зв'язування обох компонентів електрохімічної анодної реакції - водню і гідроксильних частинок. При цьому водень, як і очікували вчені, проходить через покриття і переважно зв'язується з нікелем. У той же час гідроксильним частинкам в основному приєднуються до зовнішньої частини покриття, не вступаючи в контакт з нікелем. Це запобігає утворенню оксиду нікелю і робить електродний матеріал більш стабільним.
Минулого місяця японські хіміки виготовили зі змішаного оксиду кобальту і марганцю Co2MnO4 каталізатор для електролізу води. Матеріал витримує два місяці роботи в сильнокислому середовищі, а за ефективністю майже не поступається каталізаторам на основі оксиду іридію.