Переход к возобновляемым источникам энергии немыслим без современных технологий хранения энергии. К ним относятся батареи, которые хранят электричество в виде химической энергии. Существенным для их эффективности является наличие подходящих катализаторов, позволяющих протекать соответствующим химическим реакциям оптимальным образом.
Катализаторы на основе платины являются эталоном в области химии аккумуляторов для коммерческого применения. Однако у них есть недостаток: платина встречается в земной коре лишь в небольших количествах и поэтому очень дорога.
С этой целью ученые дрезденской исследовательской лаборатории Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) разработали новый катализатор на основе циркония. Новый катализатор может заменить платину и при этом превратить батарею в электростанцию.
Исследователи говорят, что новый катализатор значительно улучшает характеристики зарядки и разрядки аккумулятора. Также он отличается отличной долговечностью - после 130 часов работы тестовая батарея сохранила 92% исходного тока.
Команда исследует химико-физические свойства аккумуляторных катализаторов. Они часто используются в виде металлических наноструктур на подходящих материалах-носителях, при этом их атомы металла действуют как каталитически активные центры. Размер используемых металлических частиц важен для работы таких катализаторов. Опыт исследований показывает, что каталитическая эффективность атомов металла, как правило, тем больше, чем мельче содержащие их металлические частицы.
«Конечная граница — это одноатомный катализатор: изолированные атомы металла, индивидуально распределенные на носителе», — объясняет доктор Минхао Ю из Технического университета Дрездена. Он создает катализаторы, собранные на отдельных атомах переходных металлов, таких как цирконий, захваченных в углеродной матрице соседними атомами углерода или азота, лежащими в одной плоскости.
«Однако в нашем случае у нас также есть атом кислорода в качестве дополнительного координационного партнера над нашим металлом, что приводит к дальнейшему взаимодействию с электронной структурой циркония», - говорит Ю, подчеркивая особенность, которая может привести к новой конструкции, стратегия для усовершенствованных одноатомных катализаторов.
Исследователи должны были следить за одним эффектом миниатюризации. Уменьшение размера частиц способствует агломерации тех самых частиц в мелкие кластеры. Это, в свою очередь, приводит к ограниченной производительности, особенно при высокой плотности рабочего тока. Использование подходящего материала-носителя, который сильно взаимодействует с металлом, предотвращает эту агломерацию и создает стабильные мелкодисперсные кластеры металла с высокой каталитической активностью. При четко определенном и равномерном распределении атомов металла катализаторы позволяют достичь высокой активности и селективности.
