Бактериальные топливные элементы могут обойтись без платиновых катализаторов

Новый материал для электродов бактериальных топливных элементов, разработанный инженерами из Университета штата Висконсин в Милуоки (США), в двадцать раз дешевле платины и при этом имеет больший ресурс работы.

Профессор Цзюнь Хун Чэнь демонстрирует образец нового катализатора на основе карбида железа. (Фото Troye Fox.)

В настоящее время 60% стоимости любой бактериальной топливной батареи — это цена платиновых катализаторов. Новый материал, созданный профессором Цзюнь Хун Чэнем и адъюнкт-профессором Чжэнем Хэ, представляет собой обогащённые азотом наностержни из Fe₃C (карбид железа, он же цементит), что позволило максимально нарастить активную поверхность в замкнутом объёме. При этом, несмотря на использование столь «простых» материалов, как железо и углерод, удалось добиться большей эффективности, чем в графеновых аналогах катализаторов, активно разрабатываемых сейчас как альтернатива дорогим платиновым.

Превзойти удалось даже эталонные результаты самой платины: на протяжении шестимесячного эксперимента эффективность наностержневых катализаторов была выше, чем у контрольных платиновых.

Бактериальный топливный элемент (БТЭ) производит электроэнергию, когда живущие в нём бактерии разлагают органику в канализационных стоках. На аноде БТЭ «работают» (в анаэробных условиях, без кислорода) колонии бактерий, а на катоде (в аэробных условиях) происходит восстановительная реакция с кислородом. Одновременно с отрывом электронов от субстрата происходит образование протонов водорода, которые проходят через ионоселективную мембрану из анодной камеры в катодную, где и соединяются с кислородом с образованием воды. Катализатор ускоряет эту реакцию, увеличивая эффективность БТЭ и их производительность.

Среди прочего исследователи предполагают, что такой материал может найти применение и в традиционных топливных элементах, значительно снизив их стоимость и до некоторой степени — вес.

Результаты исследований были опубликованы в журналах Nano Energy и Advanced Materials.

Подготовлено по материалам Университета штата Висконсин в Милуоки.