Ученые Института катализа СО РАН совместно с коллегами из Рурского университета (Германия) предложили способ получения высокоэффективных бифункциональных катализаторов для реакций электровосстановления кислорода и электроокисления воды с помощью комбинации наноструктурированных оксидов переходных металлов и углеродных нанотрубок. Такие реакции имеют большое значение для приложений альтернативной энергетики — обратимых топливных элементов и металл-воздушных батарей, и в перспективе разработка поможет усовершенствовать эти устройства. Исследование опубликовано в высокорейтинговом журнале ChemElectroChem (импакт-фактор 4,590) и вынесено на его обложку.

«Комбинация наноструктурированных оксидов переходных металлов и углеродных материалов — многообещающий подход для получения недорогих, высокоэффективных и стабильных бифункциональных катализаторов для реакций электровосстановления кислорода (ORR) и электроокисления воды (OER). Эти реакции применяются в технологиях возобновляемых источников энергии — они протекают в обратимых топливных элементах и металл-воздушных батареях. Наша разработка позволит решить проблему медленной кинетики ORR/OER, которая затрудняет зарядку и разрядку устройств, и достичь высокой эффективности и обратимости реакций», — рассказала один из авторов, старший научный сотрудник Института катализа СО РАН, к.х.н. Мария Казакова.

Бифункциональные катализаторы — это системы, которые катализируют разные реакции общего химического процесса. Ученые улучшили показатель бифункциональной активности ORR/OER, разработав катализаторы на основе наночастиц смешанного оксида железа и кобальта (FeCoOx), нанесенных на многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ). Основная стратегия заключалась в настройке свойств МУНТ с помощью легирования азотом в ходе их синтеза в присутствии аммиака и последующей окислительной функционализации.

«Результаты показали, что окислительная обработка помогла обеспечить точный контроль дисперсности и локализации наночастиц в структуре нанотрубок. В свою очередь оптимальная степень легирования азотом привела к увеличению бифункциональной активности за счет повышенной электропроводности, а также повышенной стабильности катализатора как в OER, так и в ORR», — пояснила Мария Казакова.

По словам Марии Казаковой, варьирование концентрации аммиака позволило управлять структурой, поверхностным химическим составом и дефектностью нанотрубок. Окислительная обработка позволила дополнительно настраивать текстурные характеристики и дефектность МУНТ, а также обеспечила гидрофильные свойства их поверхности, что способствовало увеличению дисперсности FeCoOx наночастиц.