Источник: наука.рф
Топливные элементы основа работы целого ряда устройств. От водородных авто до портативных зарядок и электростанций. Ключевым элементом таких систем выступает катализатор, который обеспечивает ускорение реакции, в ходе которой водород и кислород преобразуются в электричество и воду. В производстве этого компонента традиционно применяют платину, металл, чья цена сопоставима с золотом. Учёные из Южного федерального университета, Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ), Института катализа СО РАН и МГТУ им. Н. Э. Баумана предложили решение, позволяющее снизить затраты на изготовление компонента и при этом повысить его характеристики.
В пресс‑службе Сколтеха рассказали, что учёные разработали катализатор на основе сплава из пяти металлов. Он сохраняет свою активность даже после десяти тысяч рабочих циклов.
Для производства катализаторов топливных элементов традиционно применяют платину. Снизить затраты позволяет добавление к платине других, более доступных металлов. В данном исследовании учёные использовали сплав из пяти элементов: платины, палладия, меди, никеля и кобальта. Химики из Южного федерального университета разработали несложный и технологичный метод синтеза наночастиц пятикомпонентного сплава небольшого размера с равномерным распределением углеродного носителя. Однако при синтезе подобных материалов часто возникает проблема неоднородности, часть металлов сохраняет окисленное состояние. Для устранения этих дефектов материал подвергают термической обработке.
Исследователям впервые удалось в реальном времени проследить, как наночастицы сплава меняются при нагреве в диапазоне от 300 до 600 °C. На разных температурных отметках фиксировались различные эффекты, в частности, при нагреве выше 400 °C сплав начинает перестраиваться, и его поверхность обогащается платиной. Такое обогащение приводит к росту эффективности катализатора.
Специалисты Сколтеха выполнили компьютерное моделирование и подтвердили, что при нагреве до 600 °C платина концентрируется на поверхности наночастиц: примерно 75 % её атомов оказываются в верхнем слое. В то же время палладий смещается вглубь частицы. Благодаря этим процессам эффективность катализатора после термообработки возрастает. Полученные данные помогли создать материал с улучшенными электрохимическими свойствами. Катализатор, подвергнутый обработке при 350 °C, продемонстрировал высокую стабильность: спустя 10 000 циклов работы его активность уменьшилась только на 22 %, в то время как у стандартного платинового катализатора снижение достигло 40 %. Кроме того, по итогам продолжительных испытаний новый катализатор оказался в четыре раза эффективнее коммерческого образца.
«Стабильность катализаторов является ключевым фактором при создании высокоэффективных низкотемпературных топливных элементов. Было показано, что получение таких сложных систем представляет не только фундаментальный научный интерес, но и демонстрирует перспективы коммерческого применения за счет высокой стабильности, например, для массового использования в автомобилях и станциях генерации энергии», - подчеркнул Сергей Беленов, ведущий научный сотрудник химического факультета ЮФУ.
Созданный катализатор подходит для использования в топливных элементах, в том числе в автомобильных установках, стационарных электростанциях и компактных портативных устройствах.
«Сочетание экспериментальных методов и компьютерного моделирования помогло нам понять, как именно атомы разных металлов перераспределяются внутри наночастиц при нагреве. Мы показали, что можно управлять этим процессом и получать материалы с заранее заданными свойствами. Это важный шаг к созданию более доступных и долговечных топливных элементов», - дополнил Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Центра технологий материалов Сколтеха и соавтор работы.
Подписывайтесь на наш Telegram-канал — там еще больше важных новостей!
