Платина хорошо справляется с ролью катализатора в водородных топливных ячейках, но у этого металла есть как минимум два недостатка. Во-первых, он дорог, а во-вторых, платиновый катализатор со временем деградирует. 

(Авторы не называют причин деградации; возможно, это примеси серы, но в этом случае деградация угрожает любому переходному металлу.)

Химики из Университета Брауна (США) под руководством Шоухэна Суна (Shouheng Sun) создали более дешёвый и износостойкий катализатор, используя для этого три составляющие: графен, кобальт и оксид кобальта. И он, по их словам, является лучшим современным неплатиновым катализатором для топливных ячеек.

Новый катализатор представляет собой лист графена, покрытый наночастицами кобальта, которые, в свою очередь, покрыты оксидной плёнкой.

Монослой наночастиц кобальта на чешуйке графена (микрофотография Shouheng Sun / Brown University).

Восстановление кислорода происходит на катоде водородной топливной ячейки, при этом кислород играет роль электронного акцептора, стягивающего на себя электроны с водородного топлива на аноде. В результате в системе возникает электрический ток, который может использоваться для питания любых устройств. Платиновый катализатор необходим для ускорения обеих реакций — окисления водорода на аноде и восстановления кислорода на катоде. Но это дорогое и, по словам учёных, не очень надёжное решение. К сожалению, до сих пор никому не удалось найти достойную замену платине. Лучшее из сделанного — уменьшение количества платины, необходимой для изготовления катализатора. Но совсем избавиться от неё получилось впервые: новый графен-кобальтовый материал и впрямь выглядит самым многообещающим кандидатом на место платины в топливных элементах. (Кстати, хоть кобальт и много дешевле платины, он всё же в меру дорог и редок. То же железо куда дешевле…)

Лабораторные тесты показали, что в начальной стадии разгона реакции восстановления кислорода новый кобальтовый катализатор работает несколько медленнее, чем платина. Но после выхода процесса «на режим» материал восстанавливает кислород даже с большей скоростью, чем его благородный конкурент. Кроме того, он намного надёжнее, поскольку деградирует не так быстро, как платина. После 17 часов тестов катализатор демонстрировал 70% своей исходной эффективности, в то время как платиновый опустился до 60%. (Как же далеко всё это от народа! 17 часов — и можно выбрасывать.)

Для получения графен-кобальтового катализатора использовалась технология самосборки, которая позволяет лучше контролировать свойства конечного материала, чем традиционное в таких случаях выращивание наночастиц прямо на поверхности графена. В начале кобальт и графен были диспергированы в отдельных растворах. Затем растворы объединили и поместили в ультразвуковую баню для лучшего перемешивания. В итоге удалось добиться ситуации, когда кобальтовые частицы прилипали к слоям графена, образуя только одиночные слои, что гарантирует максимальное вовлечение каждой в каталитическую реакцию. После этого материал был осаждён центрифугированием и высушен.

Под действием обычного воздуха внешние атомы кобальта, образующие наночастицы, легко окисляются, формируя оболочку оксида, которая стала защитным слоем для расположенного под ней чистого металла. Толщина оксидной плёнки легко контролировалась нагреванием материала до 70 ˚C в течение разных промежутков времени (продолжительное нагревание увеличивало толщину слоя). Плёнка оксида толщиной в 1 нм оказалась лучшей: она обеспечивает оптимальную каталитическую эффективность и устойчивость материала.