Нова модель каталізатора встановлює нові стандарти в технології паливних елементів

Дослідники Університету Тохоку розробили метод прогнозування ефективності нових каталізаторів для паливних елементів, потенційно прискоривши розробку більш ефективних рішень для отримання чистої енергії. Дослідники Університету Тохоку створили надійний засіб прогнозування продуктивності нового та багатообіцяючого типу каталізатора. Їхній прорив прискорить розробку ефективних каталізаторів як для лужних, так і для кислотних середовищ, тим самим заощадивши час і зусилля в майбутніх спробах створити кращі паливні елементи.

Подробиці їх дослідження нещодавно були опубліковані в журналі Chemical Science.

Технологію паливних елементів часто рекламували як багатообіцяюче рішення для чистої енергії; однак проблеми з ефективністю каталізатора перешкоджають його широкому застосуванню.

Молекулярні метал-азот-вуглець (MNC) каталізатори можуть похвалитися відмінними структурними властивостями та чудовими електрокаталітичними характеристиками, особливо для реакції відновлення кисню (ORR) у паливних елементах. Вони пропонують економічно ефективну альтернативу каталізаторам на основі платини.

Унікальні властивості каталізаторів MNC

Одним із таких варіантів МНК-каталізаторів є легований металом азафталоціанін (AzPc). Вони володіють унікальними структурними властивостями, що характеризуються довгим розтягуванням функціональних груп. Коли ці каталізатори поміщають на вуглецеву підкладку, вони приймають тривимірні форми, схожі на танцюриста, розміщеного на сцені. Ця зміна форми впливає на те, наскільки добре вони працюють для ORR при різних рівнях pH.

Тим не менш, перетворення цих корисних структурних властивостей у підвищення продуктивності є проблемою, яка потребує значного моделювання, перевірки та експериментів, що потребує ресурсів.

«Щоб подолати це, ми використали комп’ютерне моделювання, щоб вивчити, як продуктивність каталізатора Fe-AzPcs на вуглецевій основі для реакцій відновлення кисню змінюється з різними рівнями pH, дивлячись на те, як електричні поля взаємодіють з pH і навколишньою функціональною групою», — говорить Хао Лі, доцент передового інституту дослідження матеріалів Університету Тохоку (WPI-AIMR) і відповідний автор статті.

Аналізуючи ефективність Fe-AzPcs в ORR, Лі та його колеги включили великі молекулярні структури зі складними довголанцюжковими механізмами, або «танцювальними візерунками» з розташуванням понад 650 атомів. Важливо те, що експериментальні дані показали, що мікрокінетичне моделювання, пов’язане з полем рН, точно відповідає спостережуваній ефективності ORR.

«Наші висновки свідчать про те, що оцінка перенесення заряду, що відбувається в місці заліза, де атом заліза зазвичай втрачає приблизно 1,3 електрона, може служити корисним методом для визначення відповідних оточуючих функціональних груп для ORR», — додає Лі. «По суті, ми створили прямий еталонний аналіз для мікрокінетичної моделі, щоб визначити ефективні каталізатори MNC для ORR у різних умовах pH».