Ученые из Института катализа им. Борескова Сибирского отделения (СО) РАН разработали новый способ получения графена. Полученный в результате углеродный наноматериал при добавлении бора может заменить дорогостоящую платину в топливных элементах. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials, который издается Многопрофильным институтом цифровых публикаций (MDPI).

Графен — один из слоев графита толщиной в атом — представляет собой двумерный кристалл, состоящий из шестиугольно связанных атомов углерода. Классическим способом получения графена, который использовали нобелевские лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов, является метод эксфолиации. Он сводится к уменьшению количества монослоев в графите. Однако этот метод не позволяет масштабировать производство графена.

Ученые из Института катализа СО РАН попытались решить эту проблему за счет темплатного (от англ. template — шаблон) способа получения графена. «В качестве темплата мы взяли оксид магния. Его зауглероживали бутадиеном-1,3 при температуре 600 °C, после чего частицы темплата покрылись тонкой углеродной пленкой. Затем с помощью обработки в соляной кислоте мы удалили оксид магния. Остался графеновый лист, который мы легировали фенилборной кислотой», — цитирует Институт катализа СО РАН доктора химических наук Владимира Чеснокова.

Этот метод не только легко масштабируется, но и позволяет улучшить свойства углеродного наноматериала. Полученный графен при добавлении бора можно использовать в качестве сенсоров, сорбентов и фотокатализаторов. Помимо этого, он может заменить платину в топливных элементах, которые преобразуют химическую энергию водорода в электроэнергию.

Топливный элемент состоит из проводящей мембраны, которую размещают в центре двух камер. Через одну пропускают кислород, через другую — водород, при этом с каждой стороны наносится платина, которая выполняет роль катализатора реакции. Когда водород отдает электрон (частицу отрицательного заряда), получается протон — положительно заряженный ион, который, в отличие от электрона, имеет внутреннюю структуру и конечные размеры. Протон мигрирует через мембрану и взаимодействует с кислородом, что и составляет основу работы топливных элементов.

«Графен, допированный бором, выгоднее применять в топливных элементах, чем платину. Во-первых, углеродный наноматериал гораздо дешевле платины. Во-вторых, в процессе работы поверхность платины покрывается окисью углерода, что приводит к ее дезактивации. С графеном такого не происходит», — приводит Институт катализа СО РАН вывод Владимира Чеснокова.