Электрокатализаторы на углеродной основе, полученные из азотсодержащих полимеров: синтез и свойства

Быстрое расширение мирового спроса на энергию и постоянный рост эмиссии диоксида углерода привели к активному развитию экологически чистых энергетических технологий, нацеленных на энергосбережение и сокращение выбросов вредных веществ. Среди активно развивающихся новых технологий водородно-кислородные топливные элементы с протонобменной мембраной (PEMFC) и металло-воздушные батареи являются наиболее эффективными системами преобразования и хранения энергии. Как в PEMFC, так и в цинк-воздушных или алюминий-воздушных батареях реакции восстановления и выделения кислорода, происходящие на катоде, являются основными электрохимическими процессами, определяющими производительность всей системы. Медленная кинетика таких реакций требует использования катализаторов, в качестве которых, как правило, выступают дорогостоящие металлы платиновой группы, что серьезно ограничивает дальнейшее применение и разработку источников энергии, использующих эти реакции. Производительность катализатора в значительной степени определяет общую производительность и эффективность устройств преобразования энергии, поэтому разработка катализаторов из материалов с низкой стоимостью, высокой активностью и высокой стабильностью является решающей для широкого применения этих новых энергетических технологий. В последние годы использование в электрокатализе углеродных материалов привлекает значительное внимание благодаря их типичным преимуществам, включая доступность сырья, высокую электропроводность, способность к настройке структуры и хорошую химическую стабильность. Критическое влияние на свойства таких электрокатализаторов оказывают состав и физико-химические свойства прекурсоров, используемых для пиролитического получения углеродного материала. Среди прекурсоров особенно выделяются азотсодержащие полимеры, направленный синтез которых предлагается в рамках текущего проекта. В результате пиролиза азотосодержащие полимеры превращаются в углеродные материалы, легированные азотом. Введение азота улучшает эксплуатационные качества углеродных материалов, поскольку при вхождении богатого электронами азота в углеродную решетку на вакансии атома углерода, гетероатом, не разрушая структуру sp2 гибридизации графеновой плоскости, приносит дополнительную электронную плотность в делокализованную π-систему углеродных материалов. Благодаря избытку электронов увеличивается электропроводность. Включение азота также может изменить гидрофильность и гидрофобность катализатора и способствовать лучшему его контакту с электролитом и увеличению ионной проводимости. Структуру и состав азотсодержащих полимеров можно регулировать на молекулярном уровне. Это позволяет вводить большое количество гетероатомов, изменять электронную структуру углеродных материалов и способствовать образованию потенциально активных каталитических центров. Присутствие атомов азота также облегчает легирование углеродного материала металлами, образование координационной структуры металл-азот или закрепление металлических частиц, что увеличивает суммарную каталитическую активность. Кроме того, с использованием азотсодержащих полимеров возможно создание многомерного упорядоченного углеродного материала, что обеспечивает возможность конструирования высокоэффективных пористых углеродных электрокатализаторов. Следовательно, получение углеродных материалов с использованием азотсодержащих полимеров в качестве прекурсоров позволяет решить целый ряд критически важных задачи в областях накопления энергии, адсорбции с улавливанием газа и электрохимическом катализе. Этот проект будет осуществляться в сотрудничестве с Харбинским технологическим институтом (Китай) и использовать обширный опыт китайской стороны в области разработки топливных элементов и воздушно-цинковых батарей для приготовления высокоэффективных катализаторов на основе недрагоценных металлов. Благодаря сотрудничеству в рамках этого проекта станет возможным значительно повысить уровень исследований в области катализаторов из недрагоценных металлов, и сократить разрыв с ведущими в этой области странами. Этот проект имеет также большое значение для содействия индустриализации топливных элементов и металл-воздушных батарей благодаря ожидаемому получению методик синтеза новых высокоэффективных катализаторов на основе недрагоценных металлов.