Топливные элементы вырабатывают электричество посредством электрохимических реакций, для ускорения которых используются катализаторы. Обычно на катод наносят наночастицы платины для ускорения восстановления кислорода. Платина крайне эффективна, но стоит дорого и ее запасы ограничены. Анионообменные мембранные топливные элементы (AEMFC) могут быть одним из путей решения проблемы: они работают в относительно мягких щелочных условиях, так что для них лучше подходят катализаторы без платины.

Международная команда исследователей обратилась к металлофталоцианинам — группе синтетических синих пигментов, используемых в самых разных отраслях. Они построены вокруг металлического комплекса, недороги, и их молекулярную структуру можно модифицировать. Из них ученые синтезировали катализаторы. Первый — FeAzPc-4N на проводящем углероде Ketjen Black — получил обозначение AZ-FT-30. Более богатая азотом версия, FeAzPc-8N8Me, была названа AZ-FO-30. Электронная микроскопия и элементный анализ показали, что содержащие железо молекулы распределены по углероду на атомном и молекулярном уровнях, а не образуют более крупные частицы.

Последующие тесты выявили значительную разницу в производительности между катализаторами. При 80°С первый вариант (AZ-FT-30) достиг пиковой удельной мощности 744 мВт/см², тогда как AZ-FO-30 — 902 мВт/см². По словам исследователей, это наивысшая удельная мощность, заявленная для катода AEMFC с металлофталоцианином. Также он продемонстрировал обнадеживающую долговечность: AZ-FO-30 работал 35 часов при постоянной нагрузке 400 миллиампер на квадратный сантиметр со средней скоростью деградации 2,4 милливольта в час, пишет IE.

Электрохимические площади поверхности катализаторов были почти идентичны — 155,8 и 157,5 м²/г, а значит, разница в производительности объясняется свойствами молекул, а не с количеством доступной поверхности. Эту догадку подтвердило и компьютерное моделирование.

«Настраивая структуру этих молекул синего пигмента, мы смогли усилить взаимодействие в активном центре и превратить это в реальный прирост производительности топливного элемента, — заключил Хироши Ябу из Университета Тохоку, один из руководителей исследования. — Эта работа показывает, что аккуратный молекулярный дизайн может закрыть разрыв в производительности между платиновыми и бесплатиновыми катализаторами».

Команда химиков из Великобритании выделила новую форму алюминия — сверхвысокоактивные молекулы, способные расщеплять прочные химические связи. Исследование открывает путь к использованию дешевого и распространенного алюминия вместо дорогих и труднодоступных редкоземельных металлов в химическом синтезе и катализе — платины и палладия.