Naujas nanodalelių ir grafeno darinys yra ilgaamžiškesnė katalizinė kuro elementų medžiaga. Gauta katalizinė medžiaga yra ne tik labiau tvirta, bet ir labiau chemiškai aktyvi. Mokslininkai yra įsitikinę, kad ji leis pagerinti kuro elementų savybes.
Taip skelbia straipsnis, paskelbtas „Journal of the American Chemical Society“ žurnalo internetinėje svetainėje.
„Kuro elementai yra svarbi energetikos technologijų sritis, tačiau susiduriama su jų ilgaamžiškumo ir didelės kainos problema, – pasakė chemikas Jun Liu. – Unikali struktūra reikalauja medžiagų stabilumo, gero elektrinio laidumo bei kitų savybių“.
Liu kartu su kolegomis iš Prinstono universiteto, esančio Niudžersyje, ir Vašingtono valstijos universiteto, esančio Pulmene (Pullman), sujungė grafeną su metalo oksido nanodalelėmis, kad užtikrintų pastovų kuro elementų katalizatorių veikimą. Grafenas yra vieno atomo storio bičių korio pavidalo medžiaga, sudaryta iš anglies atomų bei pasižyminti įdomiomis elektrinėmis bei struktūrinėmis savybėmis.
„Ši medžiaga turi dideles perspektyvas kuro elementų naudojimo požiūriu, – pasakė grupės dalyvis Yong Wang. – Mūsų darbas gali suteikti žinių, kaip būtų galima tobulinti kitus anglies pagrindu veikiančius katalizatorius, naudojamus įvairiose pramonės šakose.“
Kuro elementuose chemiškai suskaidomos vandenilio ir deguonies dujos bei generuojama elektros srovė. Reakcijos metu susikuria vanduo bei šiluma. Esminė kuro elementų dalis yra cheminis katalizatorius, kuriuo dažniausiai naudojamas metalas, toks kaip platina. Katalizatorius įrengiamas ant pagrindo, pavyzdžiui, anglies. Geras pagrindas turi tolygiai paskirstyti katalizatorių per visą paviršių, kad sąveikos sritis su dujų molekulėmis būtų kuo didesnė.
Kuro elementų vystytojai dažniausiai naudoja juodąją anglį, kitaip dar vadinama grafitu. Tačiau ant šios medžiagos paviršiaus platinos atomai susispiečia į grupes. Kitas dalykas – vanduo per tam tikrą laiką nuplauna tokią anglį. Pagrindu dažnai naudojamas ir metalo oksidas, kuris pasižymi ilgaamžiškumu ir geru katalizatoriaus pasiskirstymu oksido paviršiuje. Tačiau šiuo atveju yra problemų su laidumu ir sintetinimu. Kiti tyrėjai nagrinėja metalo oksidus kartu su anglies medžiagomis. Tokiu būdu siekiama išnaudoti abiejų pasaulių geriausias savybes.
Liu ir kolegos nutarė vietoje grafito panaudoti grafeną. Grafeno korėta struktūra yra laidi elektrai ir yra daug vietos paviršiuje platinos atomams veikti. Mokslininkų grupė pirmiausia kristalizavo metalo oksido nanodaleles tiesiai ant specialiai paruošto grafeno paviršiaus. Metalo oksidu pasirinktas indžio alavo oksidas. Platinos nanodalelės buvo pridėtos prie grafeno bei indžio alavo oksido junginio. Paruošta medžiaga buvo tiriama aukštos skiriamosios gebos mikroskopu. Gauti vaizdai parodė, kad be oksido platinos atomai susimeta į grupes grafeno paviršiuje. Tuo tarpu oksidas užtikrina platinos atomų tolygų pasiskirstymą. Tyrimas mikroskopu taip pat atskleidė, kad platinos atomai įsispraudė tarp grafeno paviršiaus ir nanodalelių. Atrodo, kad nanodalelės sėdi ant platinos atomų juos spausdamos prie paviršiaus.
Norėdami nustatyti, kiek šis junginys yra stabilus, mokslininkų grupė atliko molekulinių sąveikų teorinius skaičiavimus. Nagrinėti ryšiai tarp grafeno, platinos ir metalo oksido. Gauta, kad trijulė pasižymi stabilesnėmis savybėmis nei metalo oksido ar platinos junginys su grafenu.
Žinoma, stabilumas neturi didelės reikšmės, jei katalizės procesas nevyksta. Bandymuose tikrinant kaip skaidomas deguonis, trigubas junginys veikė apie keturiasdešimt procentų geriau, nei kad katalizės procesui naudojant vien tik grafeną ar kitus anglies pagrindu sukurtus paviršius.
Galiausiai grupė ištyrė, kaip nauja medžiaga atlaiko pakartotinį naudojimą. Tam medžiaga buvo dirbtinai sendinama. Nustatyta, kad medžiagų tripletas yra apie tris kartus ilgaamžiškesnis nei katalizei naudojant grafeną. Ir du kartus ilgiau veikia lyginant su junginiu, kai pagrindu naudojama aktyvuota anglis. Korozijos testai parodė, kad trigubas sumuštinis yra daug atsparesnis nei kitos išbandytos medžiagos.
Mokslininkai dabar atlieka bandymus su platinos, metalo oksido ir grafeno junginiu eksperimentiniuose kuro elementuose. Norima ištirti, kaip naujai gauta medžiaga veiks tikro pasaulio sąlygomis ir kaip ilgai ji atlaikys darbe.
Paveikslėlyje parodyta kaip indžio alavo (žali ir raudoni rutuliukai) oksido nanodalelės pritvirtina platinos nanodaleles (mėlyna spalva) prie grafeno (juodos spalvos bičių korio pavidalo tinklelis) ir sukuria labiau chemiškai aktyvią kuro elemento medžiagą.
