Создан долговечный катализатор для водородных топливных элементов
Ученые Южного федерального университета (ЮФУ) вместе с исследователями из Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ), Института катализа СО РАН и МГТУ им. Н. Э. Баумана создали катализатор из пяти металлов для водородных топливных элементов, который после длительных испытаний оказался в четыре раза активнее коммерческого аналога. Об этом сообщили в пресс-службе ЮФУ.
«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», — приводятся в сообщении слова ведущего научного сотрудника химического факультета ЮФУ Сергея Беленова.
Новый катализатор состоит из платины, палладия, меди, никеля и кобальта. Химики ЮФУ разработали способ синтеза пятикомпонентных металлических наночастиц малого размера, равномерно распределенных по поверхности углеродного носителя.
Катализаторы для топливных элементов обычно изготавливают из платины — эффективного, но дорогого металла. Для снижения стоимости ее смешивают с более доступными металлами. Однако при синтезе таких материалов часть металлов может оставаться в окисленном состоянии, а атомы — распределяться неравномерно, поэтому материал дополнительно подвергают термической обработке.
Ученые впервые в реальном времени проследили, что происходит с наночастицами такого сплава при нагреве от 300 до 600 градусов Цельсия. Они установили, что при температуре выше 400 градусов структура сплава начинает перестраиваться, а его поверхность обогащается платиной, отвечающей за скорость реакции.
Стабильность катализатора
Компьютерное моделирование, проведенное исследователями Сколтеха, показало, что при нагреве до 600 градусов около 75% всех атомов платины оказывается в верхнем слое наночастиц, тогда как палладий перемещается вглубь. Благодаря этому после термообработки катализатор работает эффективнее, хотя его активная площадь несколько уменьшается из-за увеличения размера частиц.
Катализатор, обработанный при 350 градусах, после 10 тыс. циклов работы потерял 22% активности. У коммерческого платинового катализатора потери составили 40%. После длительных испытаний новый материал оказался в четыре раза активнее коммерческого аналога.
«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», — приводятся в сообщении слова старшего научного сотрудника Центра технологий материалов Сколтеха и соавтора работы Ильи Чепкасова.
Разработанный катализатор может применяться в топливных элементах для автомобилей, стационарных электростанций и портативных устройств. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 25−79−20045. Работа опубликована в журнале Journal of Alloys and Compounds.
ХимияПоделиться
