Электроды с особой структурой поверхности могут удвоить эффективность экологически чистых электрохимических источников энергии, сообщают исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) в статье, опубликованной недавно в он-лайн версии авторитетного журнала the Journal of the American Chemical Society.

Топливные элементы — устройства, способные вырабатывать электрический ток из водорода или иного топлива без его сжигания — считаются очень перспективным источником энергии для самых разных целей: от жилых домов и автомобилей до миниатюрных устройств, таких как мобильные телефоны и ноутбуки. Их главные преимущества — бесшумность и отсутствие выбросов парниковых газов и иных загрязнителей воздуха — до сих пор перевешивалось исключительно высокой ценой, и ученые во всем мире пытались найти какие-либо пути сделать топливные элементы дешевле в производстве.

Группа исследователей из MIT, возглавляемая адъюнкт-профессором машиностроения и материаловедения Янг Шао-Хорн (Yang Shao-Horn) разработала технологию, способную многократно увеличить активность электродов в одном из видов топливных элементов, использующем в качестве топлива метанол. В ближайшей перспективе он может вытеснить обычные батареи в портативных электронных устройствах. Поскольку в таких топливных элементах используются платиновые электроды, повышение их активности означает, что для выработки того же самого количества энергии придется потратить меньше этого дорогостоящего металла.

Существенному приросту в эффективности новые топливные элементы обязаны нанесению на поверхность материала заранее продуманного рельефа. Вместо того, чтобы оставить электрод гладким, на его поверхность создают крошечные выступы-"ступеньки»; это, как показали эксперименты, позволило увеличить выработку электрического тока примерно в два раза. Исследователи полагают, что дальнейшая разработка электродов со сложной структурой поверхности позволит увеличивать активность элемента еще больше, производя больше электроэнергии при тех же затратах платины.

«Одна из целей нашего исследования — разработка активных и стабильных катализаторов», — говорит Шао-Хорн, и, по её словам, эта новая разработка является значительным шагом к «пониманию того, как поверхностная атомная структура может повысить активность катализатора» в топливных элементах на метаноле.

В экспериментах ученые использовали наночастицы платины, размещенные на поверхности углеродных нанотрубок. До этого многие ученые экспериментировали с использованием платиновых наночастиц в топливных элементах, но результаты были очень противоречивыми — одни ученые с уменьшением размера частиц наблюдали увеличение активности, другие — ее увеличение.

Новое исследование показало, что ключевым фактором являются не размеры частиц, а структура поверхности. «Мы размещали на поверхности разное число рельефных ступенек из наночастиц и отслеживали, как меняется активность катализатора при изменении числа ступенек», — говорит Шао-Хорн. Создав поверхность с множеством ступенек, группе удалось добиться удвоенной активности электрода, и ведущиеся в этом направлении работы могут позволить увеличить ее еще больше — теоретически вплоть до десятков и сотен раз.