Топливные ячейки считаются самым перспективным средством хранения и конвертации химической энергии в электрическую, поскольку побочным продуктом этого процесса является обычная вода. А чтобы конверсия имела максимальную эффективность, электроды ячеек содержат различные катализаторы, изготавливающиеся из сплавов на основе платины, рутения и других не менее дорогих металлов.

Поэтому создание органических катализаторов для топливных элементов стало настоящим прорывом.

Рассматриваемое исследование, предпринятое в Университете Умео (Швеция), принесло дополнительную информацию о механизме работы таких катализаторов, которую можно использовать для более эффективного их производства.

Рис. 1. Схема работы органического катализатора на углеродных нанотрубках, допированных азотом (синие атомы). (Иллюстрация Umeå University).

Идея получения доступных, полностью органических катализаторов воплотилась три года назад, когда в журнале Science появилось сообщение о создании такого катализатора на основе допированных азотом углеродных нанотрубок: итоговый продукт катализировал расщепление молекулярного кислорода с той же эффективностью, что и платина.

Публикация подняла настоящую волну, но до сих пор многие вопросы, касающиеся механизма и эффективности каталитического процесса, который протекает, очевидно, на дефектах (где атомы азота заместили углерод), не имели ответов.

Идеальных углеродных нанотрубок не бывает, но в данном случае дефекты были созданы сознательно — замещением углеродных атомов азотными. По словам шведских учёных, именно так вокруг дефектов были получены локальные центры, обладающие повышенной электронной плотностью. А увеличение электронной плотности, очевидно, ведёт к появлению желаемой каталитической активности.

Выяснилось, что

каталитический эффект зависит от типа азотных дефектов. Так, локальные центры вокруг четвертичных атомов азота проявляют наивысшую активность в реакции восстановления кислорода. Кроме того, удалось показать, что

использование простого нагревания конвертирует неэффективные азотные дефекты в самые действенные.

Отчёт об исследовании можно найти в журнале ACS Nano.