Как это ни прискорбно, но углеводородное сырье в недалеком будущем исчерпается. Поэтому развитие альтернативных источников энергии – это не просто модный тренд или прихоть экологов, а жизненная необходимость. В настоящее время одними из наиболее перспективных источников энергии являются топливные элементы с протонно-обменной мембраной (PEMFC).

Однако наряду с неоспоримыми преимуществами, среди которых стоит отметить высокую плотность тока и устойчивый к воздействию внешней среды электролит, есть и существенные недостатки, например, поляризационные потери (более 0.3–0.4 В), вызванные высокой энергией активации восстановления кислорода на катоде. Подбор иного, чем дорогая платина, катализатора не дал ощутимых результатов, поэтому было решено двигаться по другому пути – по пути поиска подходящей замены кислороду.

Коллектив южнокорейских ученых предложил в качестве замены кислороду нитрат-ион, который, при использовании все той же платины в качестве катализатора, обладает куда лучшей кинетикой. Однако здесь не обошлось без иного рода трудностей – селективность реакции восстановления именно до нитрит-иона при использовании платины оставляет желать лучшего. Поэтому авторы статьи приложили усилия для поиска альтернативного катализатора. На эту роль был предложен так называемый углерод, допированный азотом (N-doped C). Для этого исследователи смешали нитрат железа, меламин и углеродную сажу, и прокалили эту смесь в атмосфере азота при 700^oС. Получившийся катализатор состоит из сферических частиц со средним диаметром 30 нм (рис.1).

Рис. 1. а) ПЭМ-микрофотография полученного катализатора. b) Рентгеновский фотоэмиссионный спектр полученного катализатора.

Наклон кривой на рисунке 2 соответствует кривой активации восстановления нитрат-ион, которая равна 2.56–2.36 кКал/моль, что существенно меньше, чем в случае восстановления кислорода (около 40 кКал/моль).

Рис. 2. График зависимости логарифма плотности тока от величины обратной температуры.

Анализируя поляризационную кривую (рис.3а), хотелось бы отметить, что напряжение холостого хода в случае восстановления нитрат-ион (1.03 В и 1.04 В для углеродного и платинового катализаторов, соответственно) выше такого в случае кислорода , что также свидетельствует о преимуществе предложенного авторами статьи топливного элемента. Ну и довершение, плотность тока в диапазоне напряжений 0.9–0.7 В также гораздо выше в случае «нитратного» топливного элемента – 250–568 мА/см² против 22–315 мА/см² для воздушного элемента (обе величины приведены для случая использования платинового катализатора).

Рис. 3. а) Поляризационные кривые полученного топливного элемента при использовании обоих катализаторов. b) Падение плотности мощности с течением времени для «нитратного» топливного элемента при использовании обоих катализаторов.