На Урале разработали материал, ускоряющий восстановление кислорода

Ученые Уральского федерального университета совместно с коллегами из Индии, Китая и Южной Кореи синтезировали трехмерный пористый полимер, который способен восстанавливать кислород с выделением электрохимической энергии.

В отличие от современных топливных элементов, активность которых блокируется из-за образующегося в ходе их работы метанола, новый материал обладает устойчивостью к его воздействию. Подобные свойства полимера обнадеживают: потенциал его использования в двигателях велик, он поможет смягчить энергетический кризис и улучшить экологическую ситуацию.

Ученые выяснили, что синтезированный полимер проявляет окислительно-восстановительную активность за счет атомов азота, входящих в его состав. Кислород, контактируя с этим веществом, забирает электроны (то есть восстанавливается), превращается в воду, и происходит выделение энергии. Исследователи предложили механизм этой реакции, состоящий из четырех последовательных стадий.

«Наличие азотных центров обеспечивает альтернативный подход к восстановлению кислорода благодаря переключению азота из степени окисления 3+ в 5+ и назад. Но это совершенно другой механизм, и по энергетике он чаще всего проигрывает традиционно используемым переходным металлам»,— рассказывает Данил Бухвалов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры теоретической физики и прикладной математики УрФУ.

Пока непонятно, насколько будет успешно применение каталитических полимеров в энергетике. Выгода их использования в том, что в состав этих материалов входят распространенные элементы, такие как азот, водород, углерод и кислород. Каталитические полимеры пористые и имеют довольно большую площадь активной поверхности, но пока недостаточно эффективны.

«Открывается огромное поле для работы — вполне вероятно, что из множества видов полимерных материалов с азотными центрами удастся выбрать такой, который по эффективности будет сравним с переходными элементами и окажется химически устойчив. Трудность в том, что при повышении каталитической активности вещества уменьшается его стабильность. Другая проблема полимеров — их изготовление. Это многоступенчатый процесс, и не факт, что он будет экономически оправдан»,— подводит итог Данил Бухвалов.

По материалам «Redox Active Nitrogen-Containing Conjugated Porous Polymer: an Organic Heterogeneous Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction». Sujoy Bandyopadhyay, Danil W. Boukhvalov, Arpan Kumar Nayak, Su Ryong Ha, Hee Jeong Shin, Jiseok Kwon, Taeseup Song, Hyosung Cho, журнал Dyes and Pigments, август 2019 г.