Учёные МГУ синтезировали дешевый гибридный композит для зелёной энергетики

Коллектив авторов кафедры медицинской химии итонкого органического синтеза химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносовасовместно с коллегами из университета Виджаянагара Шри Кришнадевараясинтезировали дешевый гибридный композит для электрокатализа кислорода.Результаты работы опубликованы ввысокорейтинговом журнале ACS Applied Energy Materials.

Зелёная энергетика неразрывно связана ссовершенствованием технологий. Одним из направлений её развития стал поискальтернатив для традиционных энергетических систем, зависящих от ископаемоготоплива. Примером могут служить регенеративные топливные элементы,электролизёры воды и металл-воздушные батареи. Их привлекательность обусловленаспособностью обеспечивать непрерывный поток энергии с высокой выходноймощностью, плотностью энерговыделения и нейтральным выбросом углерода. Работаобратимых топливных элементов и металл-воздушных батарей основана на реакциикатодного восстановления кислорода, источником которого выступаютэлектролизёры.

Практическая реализация данных устройствсталкивается с рядом проблем. Медленная скорость реакции и неблагоприятнаятермодинамика, приводящая к значительным перенапряжениям и сложности переносапротона-электрона, накладывают ограничения на эффективность процесса. Сильноувеличивает стоимость необходимость использовать драгоценные металлы, такие какплатина, для осуществления катодных реакций или рутений и иридий для анодных.При этом далеко не всегда в подобных системах удаётся достичь достаточнойстабильности и функциональности. По этой причине разработкаэлектрокатализаторов на основе неблагородных металлов, а также оптимизацияусловий протекания химических реакций и дизайна установок крайне важны длядальнейшего применения в промышленности.

"Ранее в нашей лаборатории мы исследовали перспективныедля фотохимии красители тетрапирольного типа, – рассказывает один из авторовработы, к.х.н., в.н.с. ТатьянаДубинина. – Они обладали достаточно интересными свойствами, в томчисле и электрохимическими, причём не только для органического лиганда, но идля металла, входящего в их состав. Наши индийские коллеги занимались вопросамисоздания топливных элементов на основе реакции катодного восстановления кислородаи предложили попробовать наши соединения в качестве катализатора даннойреакции. В первой совместной работе мы исследовали свойства бромированногофталоцианина кобальта. Основная сложность была связана с тем, что органическаячасть являлась диэлектриком. По этой причине в качестве проводящего слоя мыиспользовали наночастицы углеродной сажи Ketjen black. Композит получилсябифункциональным, позволив одновременно осуществлять как реакцию восстановлениякислорода, так и процесс кислородного переноса. По своим параметрам он неуступал материалам, сделанным с применением драгоценных металлов, а понекоторым даже превосходил их, и, конечно же, был значительно дешевле".

"Это только первая работа в предстоящем цикле,но уже по её итогам нам удалось получить композитный материал дляэлектрокатализа, не уступающий по характеристикам более дорогим аналогам наоснове благородных металлов. В дальнейшем мы планируем узнать, что изменится,если мы заменим кобальт на другие металлы или попробуем использовать другие тетрапиррольныелиганды. В перспективе данное исследование открывает возможность дляпромышленного производства современных и сравнительно не дорогих регенеративныетопливных элементов и металл-воздушных батарей", – пояснила Татьяна Дубинина.