Ученые ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» разработали новый метод синтеза графена. Исследователи считают, что углеродный наноматериал, легированный бором, сможет заменить дорогостоящую платину в топливных элементах. Статья об исследовании опубликована в международном журнале Materials.

Графен — один из слоев графита толщиной в атом. Он представляет собой двумерный кристалл, состоящий из гексагонально связанных атомов углерода. Известны разные способы его получения. Ученые из Института катализа использовали темплатный метод.

«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», — рассказывает ведущий научный сотрудник ИК СО РАН доктор химических наук Владимир Викторович Чесноков.

У этого метода есть преимущества по сравнению с другими способами. Он легко масштабируется, а продукт реакции не содержит нежелательных примесей, например кислорода.

«Нам удалось улучшить свойства углеродного наноматериала. Полученный графен, легированный бором, можно использовать в качестве сенсоров, сорбентов, фотокатализаторов и электрокатализаторов. Кроме того, материал обладает полезными свойствами в электрокаталитических реакциях восстановления кислорода, которые протекают при работе топливных элементов. Эти свойства помогают преобразовать химическую энергию в электрическую», — комментирует Владимир Чесноков.

Углеродным наноматериалом, допированным бором, можно заменить платину в топливных элементах. Топливный элемент состоит из проводящей мембраны, которую размещают в центре двух камер. Через одну пропускают водород, через другую — кислород. С каждой стороны наносится платина, катализатор реакции. Когда водород отдает электрон, получается протон (катион). Он мигрирует через мембрану и взаимодействует с кислородом. Так работает топливный элемент — экологически чистый источник энергии.

«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», — объясняет Владимир Чесноков.

Теоретическое изучение графена началось еще в середине XX века, но произвели его только в 2004 году. В 2010 году Константин Новосёлов и Андрей Гейм, работающие в британском Университете Манчестера, стали лауреатами Нобелевской премии за получение этого углеродного наноматериала. Они использовали метод эксфолиации или скотч-метод. В этом подходе графен получают с помощью уменьшения количества монослоев в графите. Недостаток такого способа в том, что графен, синтезированный скотч-методом, не может быть масштабирован, он ограничен размером в несколько микрометров (шириной около 100 мкм). Ученые выяснили, что этот углеродный наноматериал — один из самых прочных и тонких на Земле. Он обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, хорошей термической стабильностью и высокой площадью поверхности.

«Началось всё с изучения каталитического углерода, в 1973 году. Этой тематикой в Институте катализа особо никто не занимался. Тогда в каталитической промышленности при переработке углеводородов снизилась активность катализаторов и эффективность производства. Это происходило из-за процесса зауглероживания катализаторов. Мы стали искать пути подавления этого вредного процесса. Вскоре оказалось, что сами по себе углеродные наноматериалы представляют большой интерес и обладают полезными свойствами. На их основе можно создавать адсорбенты, носители, катализаторы, углерод-углеродные композиты, изделия для машиностроения. С тех пор сферой моих интересов стал каталитический углерод», — рассказывает Владимир Чесноков.

Полина Щербакова

Фото предоставлено исследователем