Чтобы сделать современные топливные элементы менее дорогими и более мощными, команда инженеров-химиков Джона Хопкинса черпала вдохновение в древней египетской традиции золочения.
Египетские художники во времена царя Тутанхамона часто покрывали более дешевые металлы (например, медь) тонким слоем блестящего драгоценного металла, такого как золото, для создания экстравагантных масок и украшений. На современный лад исследователи под руководством Джона Хопкинса нанесли крошечное покрытие из дорогостоящей платины толщиной всего в один нанометр - примерно 1/100 000th диаметра человеческого волоса. к ядру из гораздо более дешевого кобальта. Этот микроскопический брак может стать решающим катализатором в новых топливных элементах, которые генерируют электрический ток для питания автомобилей и других машин.
Новая конструкция топливных элементов позволила бы сэкономить деньги, поскольку для этого потребовалось бы гораздо меньше платины, очень редкого и дорогого металла, который обычно используется в качестве катализатора в современных электромобилях на топливных элементах. Исследователи, опубликовавшие свою работу ранее в этом году в Nano Letters, говорят, что, делая электромобили более доступными, эта инновация может сократить выбросы углекислого газа и других загрязняющих веществ от автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем..
«Этот метод может ускорить наш выход из эры ископаемого топлива», - сказал Чао Ван, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии Университета Джона Хопкинса и старший автор исследования. «Это не только снизит стоимость топливных элементов, но и повысит энергоэффективность и мощность экологически чистых электромобилей, работающих на водороде."
В своей статье авторы приподняли шляпы перед древними египетскими мастерами, которые использовали аналогичную технику покрытия, чтобы придать медным маскам и другим металлическим произведениям искусства блестящий серебряный или золотой окончательный слой. «Идея, - сказал Ван, - состоит в том, чтобы положить немного драгоценного сокровища поверх дешевого».
Он отметил, что платина, часто используемая в ювелирных изделиях, также является важным материалом в современной промышленности. Он катализирует важные реакции в различных сферах деятельности, от переработки нефти и нефтехимического синтеза до контроля выбросов в автомобилях внутреннего сгорания, а также используется в топливных элементах. Но, по его словам, высокая стоимость платины и ее ограниченная доступность делают ее использование в экологически чистых энергетических технологиях практически нецелесообразным до сих пор.
«Кобальта намного больше, чем платины», - сказал ведущий автор и научный сотрудник Университета Джона Хопкинса Лей Ван (не связанный с Чао Ваном). «Мы смогли значительно расширить преимущества платины, нанеся ее на кобальт, и в то же время нам даже удалось повысить активность платины."
Более ранние попытки наносить драгоценные металлы на недрагоценные материалы были в значительной степени заблокированы реакциями гальванического замещения - окислением неблагородных металлов. В этом исследовании команда успешно подавила такие реакции, введя монооксид углерода, молекулу газа, которая прочно связывается с кобальтом, защищая его от окисления.
Мало того, что наночастицы кобальта-платины уменьшили использование платины; они работали почти в 10 раз лучше, чем только платина. Исследователи заявили, что эта повышенная каталитическая активность является результатом как максимального воздействия атомов платины на поверхность, так и взаимодействия между двумя металлами. «Тесный контакт между кобальтом и платиной приводит к деформации сжатия», - сказал Лэй Ван. «Это сокращает расстояние между атомами платины и делает химические реакции более вероятными на поверхности».
Поскольку платина и другие редкие металлы играют ключевую роль во многих промышленных применениях, последствия этой работы выходят за рамки топливных элементов. В настоящее время команда работает над адаптацией своей техники к другим драгоценным металлам и недрагоценным субстратам. Новые разработки будут нацелены на дальнейшее применение таких материалов в химической конверсии углеводородов.
«Многие реакции, которые зависят от катализаторов из драгоценных металлов, можно было бы сделать более дешевыми и эффективными, если бы мы воспользовались преимуществами нашей технологии», - сказал Чао Ван. «В то время, когда мы с болью осознаем пределы наших невозобновляемых источников энергии и материалов, эта техника указывает нам очень долгожданное новое направление».