Химики МГУ синтезировали дешевый гибридный композит для зеленой энергетики

Коллектив авторов кафедры медицинской химии и тонкого органического синтеза химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами из университета Виджаянагара Шри Кришнадеварая синтезировали дешевый гибридный композит для электрокатализа кислорода. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.

Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом журнале ACS Applied Energy Materials.

Зелёная энергетика неразрывно связана с совершенствованием технологий. Одним из направлений ее развития стал поиск альтернатив для традиционных энергетических систем, зависящих от ископаемого топлива. Примером могут служить регенеративные топливные элементы, электролизеры воды и металл-воздушные батареи. Их привлекательность обусловлена способностью обеспечивать непрерывный поток энергии с высокой выходной мощностью, плотностью энерговыделения и нейтральным выбросом углерода. Работа обратимых топливных элементов и металл-воздушных батарей основана на реакции катодного восстановления кислорода, источником которого выступают электролизеры.

«Ранее в нашей лаборатории мы исследовали перспективные для фотохимии красители тетрапирольного типа, — рассказывает один из авторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории биоэлементоорганической химии химического факультета МГУ Татьяна Дубинина. — Они обладали достаточно интересными свойствами, в том числе и электрохимическими, причём не только для органического лиганда, но и для металла, входящего в их состав. Наши индийские коллеги занимались вопросами создания топливных элементов на основе реакции катодного восстановления кислорода и предложили попробовать наши соединения в качестве катализатора данной реакции. В первой совместной работе мы исследовали свойства бромированного фталоцианина кобальта. Основная сложность была связана с тем, что органическая часть являлась диэлектриком. По этой причине в качестве проводящего слоя мы использовали наночастицы углеродной сажи Ketjen black. Композит получился бифункциональным, позволив одновременно осуществлять как реакцию восстановления кислорода, так и процесс кислородного переноса. По своим параметрам он не уступал материалам, сделанным с применением драгоценных металлов, а по некоторым даже превосходил их, и, конечно же, был значительно дешевле». 

Практическая реализация данных устройств сталкивается с рядом проблем. Медленная скорость реакции и неблагоприятная термодинамика, приводящая к значительным перенапряжениям и сложности переноса протона-электрона, накладывают ограничения на эффективность процесса. Сильно увеличивает стоимость необходимость использовать драгоценные металлы, такие как платина, для осуществления катодных реакций или рутений и иридий для анодных. При этом далеко не всегда в подобных системах удается достичь достаточной стабильности и функциональности. По этой причине разработка электрокатализаторов на основе неблагородных металлов, а также оптимизация условий протекания химических реакций и дизайна установок крайне важны для дальнейшего применения в промышленности.

«Это только первая работа в предстоящем цикле, но уже по ее итогам нам удалось получить композитный материал для электрокатализа, не уступающий по характеристикам более дорогим аналогам на основе благородных металлов. В дальнейшем мы планируем узнать, что изменится, если мы заменим кобальт на другие металлы или попробуем использовать другие тетрапиррольные лиганды. В перспективе данное исследование открывает возможность для промышленного производства современных и сравнительно недорогих регенеративные топливных элементов и металл-воздушных батарей», — пояснила Татьяна Дубинина.