Однако комплексы железо-азот в графене (известные как катализаторы Fe-N-C) уже несколько лет достигают уровней активности, сопоставимых с катализаторами Pt / C. «Систематическое исследование катализаторов Fe-N-C было трудным, поскольку большинство подходов к получению материалов приводят к гетерогенным соединениям. Они содержат различные соединения железа, такие как карбиды или нитриды железа, помимо предполагаемых центров FeN4», — объясняет Себастьян Фихтер из HZB.Высокая плотность каталитически активных центров«Несколько лет назад в HZB мы уже разработали новый метод приготовления для производства недорогого каталитического материала из металлоорганических соединений, таких как порфирин железа или кобальта», — сообщает Питер Богданов, HZB.
Ульрике Крамм и Ирис Херрманн-Гепперт улучшили процесс его производства в рамках своих докторских исследований в HZB. В результате катализаторы металл-N-C, разработанные в HZB, удерживали мировой рекорд по самой высокой плотности каталитически активных центров различных нитрометаллических соединений примерно до 2011 года. Однако оставалось неясным, какие неорганические соединения влияют на каталитическую эффективность. Теперь команда смогла это определить.
Процесс очистки удаляет мешающие соединенияОсновным моментом в текущей работе является процесс очистки (комбинация термической обработки с последующим этапом травления), с помощью которого можно существенно снизить долю металлических соединений, которые мешают каталитической активности, даже для катализаторов, которые являются сильно гетерогенными. Здесь интересно то, что активность резко возрастает! Ульрике Крамм, которая с тех пор стала младшим профессором Дармштадтского технического университета, удалось очистить несколько катализаторов до такой степени, что все железо, присутствующее в слоях графена, было исключительно в форме комплексов, состоящих из железа и четырех атомов азота (FeN4).
Тем самым ученые опровергли обсуждаемую среди экспертов гипотезу, согласно которой улучшение активности центров FeN4 происходило только за счет промоторов, как их называют, таких как наночастицы железа.
Теперь проверено: центры FeN4 обеспечивают высокую каталитическую эффективность даже без промоторов.«Чтобы проверить эту гипотезу, мы использовали многочисленные сложные методы измерения, такие как спектроскопия Мёбауэра, спектроскопия электронного парамагнитного резонанса и спектроскопия поглощения рентгеновских лучей на BESSY II.
Они позволили нам точно изучить атомную структуру каталитических центров», — сообщает Ульрике Крамм. .«Процесс очистки позволяет нам теперь создавать катализаторы, содержащие исключительно центры FeN4. Это позволяет нам впоследствии выбирать соединения, которые будут добавлены впоследствии в качестве промоторов, которые еще больше улучшают уровень активности или стабильность этих катализаторов», — резюмирует Ульрике Крамм свой исследовательский подход в TU.
Дармштадт.Себастьян Фихтер и Питер Богданофф продолжают свои исследования в HZB по новым катализаторам, особенно в отношении производства водорода с использованием солнечного света. «Мы также можем использовать информацию о том, как работают эти катализаторы металл-N-C, в нашей постоянной разработке каталитических материалов для производства водорода на солнечной энергии в HZB», — говорит Фихтер.Совместная исследовательская деятельность в HZB и TU Darmstadt может позволить разработать полный цикл регенеративной энергии с использованием солнечного водорода в недорогих топливных элементах, что позволит производить электроэнергию без выбросов климатических газов.Результаты опубликованы в Журнале Американского химического общества.
Ульрика И. Крамм, Ирис Херрманн-Гепперт, Ян Берендс, Клаус Липс, Себастьян Фихтер и Питер Богданофф о простом способе получения углерода, легированного азотом и металлом, с исключительным присутствием сайтов типа MeN4, активных для ORR.