Торф может заменить платину в катализаторах для топливных элементов

Ученые обнаружили, что хорошо разложившийся торф может стать основой для создания катализаторов для топливных элементов, способных заменить дорогостоящую платину. Исследование провели специалисты из Центра Гельмгольца в Берлине, Физико-технического федерального учреждения и университетов Тарту и Таллина.

Образцы изучали с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния на установке BESSY II. Автор: E. Härk /HZB

Топливные элементы преобразуют химическую энергию водорода непосредственно в электрическую, выделяя только воду. Они могут стать важным компонентом климатически нейтральной энергетической системы. Ключевой задачей является снижение стоимости за счет замены катализаторов на основе платины.

«Нано-лабиринт» для молекул

Катализаторы на основе углерода, содержащие железо и азот (Fe-N-C), являются перспективной альтернативой. Исходным материалом для них служит хорошо разложившийся эстонский торф. Эти материалы обладают сложной иерархической пористостью, напоминающей ходы в муравейнике.

Изображение, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показывает сложную внутреннюю структуру материала Fe-N-C. Автор: HZB

«Изменяя иерархическую структуру катализатора, размер и толщину стенок пор, мы можем создавать материалы с совершенно разными свойствами», — говорит первый автор исследования Рутха Ягер из Тартуского университета.

Поиск оптимальной структуры

Электрохимик Энели Хярк объясняет цель работы: «Мы хотели понять, почему один из электрокатализаторов Fe-N-C демонстрирует исключительную эффективность и селективность, сопоставимую с лучшими катализаторами без благородных металлов, в то время как другие образцы работают хуже».

С помощью малоуглового рентгеновского рассеяния команда исследовала ключевые структурные характеристики: иерархическую пористость, структурную неупорядоченность и расстояние между активными центрами. Было синтезировано пять образцов при разных температурах (от 800 до 1000°C) с использованием различных модификаторов пор.

«Малоугловое рассеяние дает нам точную карту муравейника, так сказать, в то время как электрохимическое поведение катализатора показывает нам, как «муравьи», то есть молекулы, движутся внутри него», — поясняет Хярк.

Одним из результатов стало то, что при кривизне пор не менее трех нанометров восстановление кислорода до воды происходит наиболее эффективно, а образование проблемной перекиси водорода сводится к минимуму.

Перспективы — путь к снижению затрат

«Мы знали, как материалы работают в принципе, и что иерархическая пористость важна, но почему один из них работает лучше, оставалось загадкой. Теперь нам наконец удалось выявить структурные нюансы, способствующие реакции», — говорит Ягер.

Поскольку Fe-N-C можно синтезировать из хорошо разложившегося торфа, материал является по-настоящему экологически чистым. «Эстонские месторождения предлагают многообещающий ресурс для производства высокотехнологичных функциональных материалов», — добавляет Ягер.

Результаты демонстрируют жизнеспособный путь от торфа до функциональных топливных элементов, что потенциально может снизить системные затраты и повысить устойчивость.

Дополнительная информация: Rutha Jäger et al, Small-Angle X-ray Scattering Monitoring of Porosity Evolution in Iron–Nitrogen–Carbon Electrocatalysts, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c14955