Немецкие исследователи наконец нашли замену платиновым катализаторам

Топливные элементы (ТЭ) представляют собой важный компонент выработки электроэнергии, поскольку они позволяют получить её без предварительной генерации тепла и пара из ископаемого топлива. ТЭ получают электроэнергию непосредственно из реакции водорода и кислорода с образованием воды — и по этой причине они генерируют её более эффективно, чем угольные или газовые электростанции. Однако сегодняшние топливные элементы требуют дорогостоящей платины в качестве катализатора этой реакции, что ограничивает их более широкое применение.

По этой причине команда из Института Макса Планка в Штутгарте, вдохновлённая самой природой, разработала альтернативный катализатор. Он выполнен из органических молекул,  включающих атомы железа или марганца на металлической подложке. Эти материалы гораздо более дёшевы и доступны по сравнению с платиной.

Люди и животные получают энергию от той же реакции, что и топливные элементы: они дышат кислородом и связывают с ним водород в клетках с образованием воды. При этом химическом превращении высвобождается энергия, которую организм использует, чтобы жить. Поэтому идея поиска в природе катализатора, альтернативного дорогой платине, возникла вполне логично. Природные ферменты, связывающие кислород, содержат металлы, вроде железа и марганца — и эти ферменты легко получаются из пищевых источников.

Клаус Керн и его сотрудница Дорис Грумелли осаждали атомы железа и марганца вместе с органическими молекулами на золотую подложку. При этом они установили, что органические молекулы и атомы металла упорядочиваются в модели, которые сильно напоминают функциональные центры ферментов. Ячейки, образованные при этом, содержат отдельные атомы железа или марганца в окружении нескольких органических молекул, как в угловых точках в решётке забора.

В ходе испытаний выяснилось, что каталитическая активность соединения зависит от вида металлического центра, а стабильность структуры зависит от типа органических молекул, образующих сеть ячеек. Атомы железа приводили к двухуровневой реакции через промежуточные молекулы пероксида водорода, в то время как атомы марганца приводили к прямой реакции кислорода с образованием  воды.

Исследователям удалось создать новый класс нанокатализаторов, которые являются экономически эффективными в производстве, и их сырьевые ресурсы безграничны. Дорис Грумелли уже работает над новым вариантом структур подобного вида, которые могут служить моделями для биологических исследований.

Источник перевод для gearmix (Serg Kite)