Благодаря удачному сочетанию рекордно высокой удельной поверхности (до 1300 см2/г) с хорошими электрическими характеристиками, углеродные нанотрубки могут быть эффективно использованы для изготовления электродов в топливных элементах. При этом удается полностью избавиться от металлических деталей, что позволяет существенно снизить массу устройства при сохранении его энергетических параметров. Такая возможность была продемонстрирована недавно сотрудниками Института М.Планка в Штутгарте (ФРГ), которые изготовили топливный элемент с электродами из сетей, состоящих из однослойных углеродных нанотрубок. Материал, содержащий однослойные нанотрубки, синтезировали стандартным электродуговым методом и очищали с помощью ультразвуковой обработки в концентрированной азотной кислоте. Полученную суспензию смешивали с политетрафторэтиленом и фильтровали через поликарбонатную мембрану. В результате этого на фильтре оседала запутанная гидрофобная сеть из нанотрубок, которая служила частью газодиффузионного электрода. Затем через полученную гидрофобную сеть фильтровали новую часть суспензии, что приводило к образованию гидрофильной сети поверх гидрофобной. Затем на верхнюю поверхность гидрофильной сети наносили 0,1М раствор H2PtCl6 в изопропаноле, который служил прекурсором для образования катализатора. Восстановление прекурсора до металлической платины (размер частиц 2–3 нм) проводили в течение часа при температуре 100 по Цельсию в потоке водорода. Описанную процедуру применяли для изготовления, как анода, так и катода. При этом поликарбонатную мембрану не удаляли, а использовали в качестве сепаратора и контейнера для электролита.
Изготовленные таким образом электроды испытывали в конструкции топливного элемента, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Схема газодиффузионного электрода, изготовленного на основе сетей нанотрубок (слева) и его расположение на топливном элементе (справа).

Элемент состоял из биполярных пластин, системы подачи и удаления газа и устройств для формирования газовых потоков. Электроды были обращены гидрофобной стороной к потоку, а гидрофильной стороной, покрытой мембраной, к противоположному электроду. Мембранные фильтры смачивали электролитом, в качестве которого использовали концентрированную фосфорную кислоту. Испытания показали, что проводимость изготовленных электродов на основе сетей углеродных нанотрубок более чем на два порядка превышает соответствующий параметр для стандартных электродов на основе аморфного углерода, в то время как толщина и масса этих электродов примерно на порядок ниже стандартных. При этом токовые характеристики электродов на основе нанотрубок пока на несколько десятков процентов уступают соответствующим параметрам стандартных устройств, что может быть обусловлено недостаточно оптимальной процедурой изготовления.

Ссылка: M. Kaempgen et al., Appl. Phys. Lett. 92, 094103 (2008).