Создан самовосстанавливающийся катализатор для топливных элементов

Синтез и характеристика катализаторов FePPc/CNT, FePc/CNT и m-FePPc/CNT. Автор: EES Catalysis (2025). DOI: 10.1039/D5EY00092K

Исследователи из Университета Тохоку разработали новый катализатор, способный частично самовосстанавливаться во время работы, что открывает возможности для создания более долговечных материалов в энергетике и химической промышленности. Катализатор предназначен для реакции восстановления кислорода (ORR) — ключевого процесса для топливных элементов и других технологий чистой энергии.

Результаты исследования опубликованы в журнале Energy & Environmental Science Catalysis.

Новый катализатор создан путём формирования тонкого слоя железного полифталоцианина (FePPc) вокруг углеродных нанотрубок. Этот метод позволил включить больше железа в материал по сравнению с предыдущими подходами, сохраняя при этом те же типы активных центров, которые катализируют реакцию.

При тестировании в кислом растворе катализатор показал высокую эффективность в преобразовании кислорода, с измерениями, указывающими на сильный перенос электронов и благоприятные стадии реакции. Исследователи связали этот эффект с тесным взаимодействием между оболочкой FePPc и нанотрубками.

Не менее важна и долговечность. В долгосрочных испытаниях катализатор сохранил около 80% своей первоначальной активности после одного дня, в то время как аналогичный материал без полимеризованной оболочки потерял большую часть своей активности всего за несколько часов.

Команда обнаружила, что материал изменяется в процессе работы. Тонкие слои FePPc постепенно отслаиваются, что обнажает свежие активные центры. В то же время некоторые из отслоившихся фрагментов продолжают осаждаться на нанотрубках, некоторое время поддерживая реакцию. Однако процесс в конечном итоге достигает предела, поскольку растворенные частицы железа собираются в стабильные кластеры, что снижает эффективность катализатора.

Каталитическая активность ORR катализаторов FePPc/CNT, FePc/CNT и m-FePPc/CNT. Автор: EES Catalysis (2025). DOI: 10.1039/D5EY00092K

Стабильность ORR катализаторов FePPc/CNT, FePc/CNT и m-FePPc/CNT. Автор: EES Catalysis (2025). DOI: 10.1039/D5EY00092K

«Наши результаты показывают, что кажущаяся стабильность катализатора связана с балансом между обновлением активных центров и постепенными процессами дезактивации», — пояснил Хао Ли, выдающийся профессор Университета Тохоку в Институте перспективных исследований материалов (WPI-AIMR).

Он добавил: «Понимание этой динамической эволюции предоставляет основу для проектирования Fe-N-C катализаторов, которые остаются эффективными в сложных электрохимических условиях».

Раскрыв механизм работы этого процесса обновления, исследование указывает путь к созданию более долговечных катализаторов для устройств чистой энергии и устойчивого производства химических веществ из возобновляемых ресурсов.

Больше информации: Fangzhou Liu et al, Dynamic evolution of self-renewal Fe–N–C catalysts for the acidic oxygen reduction reaction, EES Catalysis (2025). DOI: 10.1039/D5EY00092K

Источник: Tohoku University