Углеродные материалы из биомассы могут изменить правила игры в кислородной электрохимии — они дешевы, эффективны и экологичны. Правда, до сих пор их каталитические свойства оставляли желать лучшего: не хватало способов тонко настроить структуру. Но группе ученых из Нанкинского лесного университета, Шанхайского университета и Университета Цинциннати под руководством профессоров Ван Ляна и Фань Мэнмэн удалось решить эту проблему.

Результаты опубликованы в издании Nano-Micro Letters.

В их новом исследовании описан метод, который превращает обычный углерод из кокосовой скорлупы в мощный катализатор. Секрет — в мгновенном джоулевом нагреве: короткий, но интенсивный импульс тока резко увеличивает количество sp2-гибридизированных углеродных областей в материале. Это не просто улучшает проводимость, но и меняет электронную структуру азотных центров, которые и отвечают за катализ.

sp2-гибридизированные углеродные области — участки материала, где атомы углерода связаны в плоские «сетки» (как в графите). Они отлично проводят ток и часто служат активными центрами в катализе. В отличие от sp3-структур (как в алмазе), где связи объемные и менее подвижные.

Что получилось:

• Катализатор восстанавливает кислород почти так же хорошо, как платина (0,884 В), а в реакции выделения кислорода даже обгоняет дорогой RuO₂ (295 мВ при 10 мА/см²).
• В цинк-воздушной батарее он работает без деградации больше 1200 часов, выдавая 121 мВт/см² — это выше, чем у промышленных аналогов.

Это важно, ведь Джоулев нагрев — быстрый, дешевый и масштабируемый метод. Технологию можно адаптировать под разное сырье, а значит, у нее есть все шансы выйти из лаборатории в реальное производство.

Исследование закрывает сразу две проблемы: зависимость от дорогих металлов  (платина, рутений) и сложность тонкой настройки углеродных катализаторов. Если технологию удастся масштабировать, это удешевит:

• Топливные элементы для электромобилей,
• Накопители энергии для солнечных и ветряных станций,
• Промышленные системы для получения водорода.

Особенно интересно применение в цинк-воздушных батареях — они безопаснее литиевых и могут стать основой для сетевых хранилищ.

Авторы не уточняют, как поведет себя материал в реальных условиях вне лаборатории:

• Как отразится на его работе влияние влаги, примесей в воздухе, перепадов температур;
• Насколько воспроизводимы результаты при масштабировании. Джоулев нагрев требует точного контроля параметров — малейший сбой может изменить свойства материала.

Ранее ученые выяснили, что древний углерод из рек возвращается в атмосферу.