Технології
Хімія
Технології
Хімія

Шпинат замінить платину в паливних елементах

Схема процедури підготовки вуглецевих нанолістів із шпинату. ACS Omega, 2020

Схема процедури підготовки вуглецевих нанолістів із шпинату. ACS Omega, 2020

Хіміки спробували використати шпинат як прекурсор для каталізаторів окисно-відновної реакції в паливних елементах. І виявилось, що через високий вміст заліза і азоту, шпинатна біомаса здатна замінити платину і є навіть ефективнішою за неї в лужному середовищі. Надалі вчені планують оптимізувати технологію та випробувати її в електрохімічних генераторах. Результати дослідження описані в статті, опублікованій у журналі ACS Omega.

Як шпинат може замінити платину?

Принцип дії паливних елементів заснований на хімічній реакції окислювача і палива, в результаті якої безпосереднім шляхом отримують електроенергію. Подібну реакцію можна спостерігати при згорянні палива у спеціальних печах, проте в паливних елементах окисно-відновна реакція не супроводжується виділенням диму та полум'я. У катодах сучасних водневих паливних елементів в якості каталізатора використовується платина, проте його висока вартість заважає широкому застосуванню перспективного водневого палива. Ефективний каталізатор означає більш швидку і ефективну реакцію, а для паливних елементів він означає більшу вихідну потужність генераторів.

Шпинат використовувався як прекурсор для каталізаторів, необхідних для окисно-відновних реакцій кисню в паливних елементах. За словами вчених, пористість утворених ними нанолистів зі шпинату стала в нагоді: крихітні отвори давали змогу кисню проникати в матеріал. У своїх експериментах з перевірки їх концепції, вони використовували шпинат, куплений в місцевих супермаркетах.

Чому обрали саме шпинат?

Ідея хіміків використати шпинат як електрохімічний елемент не нова. Наприклад, в дослідженні 2014 року зі шпинату збирали активоване вугілля для створення конденсаторних електродів. Також вчені вже створювали шпинатні нанокомпозити на основі шпинату, які розглядалися як більш дешеві та органічні фотокаталізатори. Крім того, що шпинат багатий на залізо і азот (обидва ці елементи важливі для окисно-відновних реакцій), його легко вирощувати, і він набагато дешевший за платину.

Також вчених приваблює те, що це поновлюване джерело, а отже набагато більш екологічне, ніж платина. Зараз хіміки вивчають питання, як можна знизити температури під час “приготування” шпинату, щоб зменшити вуглецевий слід і скоротити споживання енергії.

Що із рослиною зробили вчені?

“Приготування” каталізатора на основі шпинату складається з кількох етапів. Спершу листя промивають, подрібнюють та висушують на низьких температурах. Після сушки матеріал знову подрібнюють і додають меламін, як промотор азоту. Вчені повідомляють, що багато азоту втрачається в процесі приготування, тому його потрібно знову вносити. Також додаються різні солі, такі як хлорид натрію і хлорид калію. Ці елементи додають для більшої пористості майбутнього каталізатору, щоб збільшити площу поверхні для реакцій. Нанолістові матеріали отримують з піролізу за температури 900 градусів Цельсію.

Але попри обнадійливі результати, вчені попереджають, що їхнє дослідження поки є лише доказом принципу, оскільки кращі характеристики в лабораторних умовах значно відрізнятимуться на практиці. Ще один аспект, який вимагає подальшого вивчення, полягає в тому, що, хоча каталізатор на основі шпинату перевершує платинові каталізатори в лужних умовах, його продуктивність в кислому середовищі набагато менша. Вчені планують змінити процес приготування шпинату, щоб змінити можливий діапазон pH». Проте, виготовлений прототип - це наступний крок випробування в паливних елементах каталізатора, отриманого з відновлюваного біоматеріалу.