Топливные элементы (ТЭ) представляют собой важный компонент выработки электроэнергии, поскольку они позволяют получить её без предварительной генерации тепла и пара из ископаемого топлива. ТЭ получают электроэнергию непосредственно из реакции водорода и кислорода с образованием воды — и по этой причине они генерируют её более эффективно, чем угольные или газовые электростанции. Однако сегодняшние топливные элементы требуют дорогостоящей платины в качестве катализатора этой реакции, что ограничивает их более широкое применение.

newcatalystf

По этой причине команда из Института Макса Планка в Штутгарте, вдохновлённая самой природой, разработала альтернативный катализатор. Он выполнен из органических молекул,  включающих атомы железа или марганца на металлической подложке. Эти материалы гораздо более дёшевы и доступны по сравнению с платиной.

Люди и животные получают энергию от той же реакции, что и топливные элементы: они дышат кислородом и связывают с ним водород в клетках с образованием воды. При этом химическом превращении высвобождается энергия, которую организм использует, чтобы жить. Поэтому идея поиска в природе катализатора, альтернативного дорогой платине, возникла вполне логично. Природные ферменты, связывающие кислород, содержат металлы, вроде железа и марганца — и эти ферменты легко получаются из пищевых источников.

Клаус Керн и его сотрудница Дорис Грумелли осаждали атомы железа и марганца вместе с органическими молекулами на золотую подложку. При этом они установили, что органические молекулы и атомы металла упорядочиваются в модели, которые сильно напоминают функциональные центры ферментов. Ячейки, образованные при этом, содержат отдельные атомы железа или марганца в окружении нескольких органических молекул, как в угловых точках в решётке забора.

В ходе испытаний выяснилось, что каталитическая активность соединения зависит от вида металлического центра, а стабильность структуры зависит от типа органических молекул, образующих сеть ячеек. Атомы железа приводили к двухуровневой реакции через промежуточные молекулы пероксида водорода, в то время как атомы марганца приводили к прямой реакции кислорода с образованием  воды.

Исследователям удалось создать новый класс нанокатализаторов, которые являются экономически эффективными в производстве, и их сырьевые ресурсы безграничны. Дорис Грумелли уже работает над новым вариантом структур подобного вида, которые могут служить моделями для биологических исследований.


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *