Катализаторы с железом и марганцем ускорят реакции для получения электроэнергии
Современная энергетика требует новых устройств для хранения и преобразования энергии, которые будут безопасны для окружающей среды при высокой производительности. Более экологичной и долговечной альтернативой широко используемым литий-ионным аккумуляторам могут служить топливные элементы, в которых благодаря реакциям топлива (например, водорода) и кислорода с электродами образуется электрический ток. В ходе реакции топливо отдает электроны, а кислород, в свою очередь, принимая заряженные частицы, восстанавливается до молекулы воды.
Однако восстановление кислорода не идет просто так: этот процесс требует участия катализаторов, запускающих и ускоряющих превращение. Чаще всего для этой цели в промышленности используют платиновые катализаторы, но они дорогие и необратимо взаимодействуют с некоторыми органическими и неорганическими соединениями. Такое взаимодействие приводит к отравлению катализатора и необходимости его частой замены. Поэтому ученые ищут альтернативы, например, синтезируя катализаторы на основе доступных и стабильных соединений марганца или железа.
Исследователи из Института химии растворов имени Г. А. Крестова РАН (Иваново) разработали биметалл-порфириновые катализаторы в виде пленок. Сначала авторы синтезировали порфирины — сложные азотсодержащие молекулы, которые состоят из четырех связанных между собой углеродных колец. Затем в структуру ввели атом металла (железа или марганца), который прочно удерживался в центре азот-углеродного кольца. Для получения тонких пленок исследователи применили электрохимический подход, получив катализаторы, содержащие по отдельности атомы железа или марганца, а также биметаллический железо-марганцевый катализатор.
Ученые протестировали способность полученных пленок осуществлять реакцию восстановления кислорода. Для этого катализатор поместили в электрохимическую ячейку, заполненную щелочью, через которую пропускали кислород. По напряжению на электродах ячейки — элементах, проводящих ток, — оценивали эффективность химического превращения. Катализатор, содержащий сразу два металла, позволил при более низком напряжении сгенерировать в 1,5 раза больший ток, чем при использовании марганцевого или железного катализатора.
«При относительной дешевизне металлопорфирины железа и марганца обладают низкой токсичностью и могут использоваться в качестве катализаторов, необходимых для работы топливных элементов. Это позволит усовершенствовать данные устройства для хранения и преобразования энергии. В дальнейшем мы планируем оценить, как влияет на активность биметаллических порфириновых катализаторов присутствие в них атомов кобальта, меди и никеля. Кроме того, изменяя химическую структуру порфирина и молекулярное окружение атома металла, мы сможем более тонко настроить работу катализатора для протекания нужной реакции», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Кузьмин, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории «Новые материалы на основе макроциклических соединений» Института химии растворов им. Г. А. Крестова РАН.
Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Electroanalytical Chemistry.