Группа учёных разработала прорывной метод преобразования углеродных наночастиц (carbon nanoparticles, CNPs) из автомобильных выхлопов в высокоэффективные электрокатализаторы. Это решение предлагает экологически устойчивый подход к управлению загрязнением окружающей среды и производству энергии, превращая вредные твёрдые частицы в ценные материалы для возобновляемой энергетики.

Исследование одновременно решает экологические проблемы и отвечает растущему спросу на эффективные и экономичные решения в области чистой энергии. Путём легирования CNPs бором, азотом, кислородом и серой учёным удалось значительно улучшить их каталитические свойства. Эти многокомпонентные наночастицы демонстрируют эффективность в ключевых электрохимических реакциях. Катализаторы показывают высокую активность в реакции восстановления кислорода (РВК), которая необходима для работы топливных элементов и систем хранения энергии, а также в реакции выделения водорода (РВВ), важной для производства водородного топлива.

Кроме того, они демонстрируют превосходные показатели в реакции выделения кислорода (РВК), что способствует развитию технологии расщепления воды для получения «зелёного» водорода. Оптимизация состава этих материалов позволила создать эффективную альтернативу традиционным катализаторам на основе драгоценных металлов, улучшив как экономическую эффективность, так и экологическую устойчивость.

Используя комбинацию экспериментального анализа и моделирования методом теории функционала плотности (DFT), учёные получили более глубокое понимание структурных и электронных свойств модифицированных CNPs. В частности, наночастицы, допированные бором, продемонстрировали перенапряжение 338 мВ при плотности тока 10 мА/см2.

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения выявила губкоподобную фрактальную структуру, которая улучшает перенос заряда и увеличивает количество активных реакционных центров.

Более того, модификации поверхностной химии нарушили электронейтральность, улучшив адсорбцию и эффективность реакции, что привело к созданию более надёжной каталитической системы. Эти усовершенствования материалов позволяют снизить зависимость от дорогостоящих катализаторов на основе платины, делая технологии чистой энергии более жизнеспособными и доступными.

Исследование имеет последствия для индустрии чистой энергии и устойчивого транспорта. Эти катализаторы могут быть интегрированы в топливные элементы, обеспечивая более эффективную генерацию энергии для электромобилей и систем хранения энергии. Они также играют важную роль в производстве водорода, поддерживая переход к водородной экономике. Кроме того, их использование в системах хранения возобновляемой энергии повышает стабильность ветровой и солнечной генерации.

Хотя результаты исследования демонстрируют значительный потенциал, необходимы дальнейшие работы для масштабирования производства, оптимизации стабильности материалов и интеграции этих катализаторов в коммерческие приложения. С развитием метода появляется потенциал превратить автомобильные выхлопы из экологической проблемы в решение для чистой и устойчивой энергетики.