В настоящее время водород играет ключевую роль в энергетической политике России, направленной на достижение углеродной нейтральности, о чем неоднократно говорил президент Российской Федерации Владимир Путин. Водородная энергетика представлена как отдельное направление в Энергетической стратегии РФ, обнародованной 12 апреля 2025 года, и способствует поддержанию технологической независимости страны. Водород-воздушный топливный элемент, являющийся одним из наиболее известных элементов водородной энергетики, способен служить источником энергии для транспорта и портативных устройств. Специалисты Южного федерального университета в сотрудничестве с научными сотрудниками из Сколтеха и ИК СО РАН достигли значительного прогресса, оптимизировав катализаторы, влияющие на эффективность этих систем.
Ключевым элементом функционирования каждого водородного топливного элемента является катализатор, который способствует протеканию важных химических процессов. Обычно для этой цели применяется платина – металл с высокой эффективностью, однако и обладающий значительной стоимостью. Российским ученым удалось найти выход из данной ситуации: они разработали катализатор, характеристики которого, такие как стабильность и активность, превосходят показатели традиционных коммерческих аналогов, что позволяет уменьшить количество используемой платины.
Уникальность разработки заключается в использовании специальной углеродной основы (носителе), модифицированной азотом. Данную основу специалисты лабораторий «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» и «Технологии синтеза каталитически активных материалов» ЮФУ получили, используя углерод и вводя в его структуру атомы азота. Азот способствует равномерному распределению и надежной фиксации наночастиц платины, предотвращая их агломерацию и потерю функциональности, а также повышает активность в процессе восстановления кислорода. Данная реакция, отвечающая за формирование тока, играет ключевую роль в работе водород-воздушных топливных элементов – эффективных устройств для преобразования энергии, применяемых в пассажирском транспорте, беспилотных летательных аппаратах и портативных зарядных устройствах.
«На протяжении ряда исследований мы отмечаем, что носители, содержащие азот, способствуют повышению активности катализаторов на основе наночастиц платины. Эти материалы также демонстрируют более длительный срок службы. Необходимо выяснить механизм этого явления, поскольку такие продукты востребованы в практических применениях. Для проведения анализа был использован комплекс электрохимических методов и микроскопических исследований в ЮФУ, на базе Центра коллективного пользования «Высокоразрешенная микроскопия», а также в Институте катализирования СО РАН. Нам удалось установить специфическую структуру материалов, которая включает как наночастицы платины диаметром 1-2 нм, так и кластеры атомов платины, равномерно распределенные по всей поверхности подложки. Благодаря сотрудничеству с коллегами из Сколтеха, нам удалось теоретически обосновать наблюдаемые эффекты», – сообщает аспирант ЮФУ, младший научный сотрудник. Юлия Баян.
Достижение успеха в реализации этого проекта стало возможным благодаря эффективному взаимодействию специалистов из разных областей науки. Начало исследования было положено работниками лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» ЮФУ, которые осуществили синтез новых материалов. Дополнительные исследования микроструктуры материалов провели специалисты по высокоточной микроскопии из ИК СО РАН, обнаружившие его уникальную структуру. Ученые из Сколтеха с помощью вычислительных методов цифрового материаловедения подтвердили, что именно атомы азота играют решающую роль в улучшении характеристик электрокатализаторов.
«Не вполне ясно, что послужило причиной такого изменения свойств катализатора, как показали эксперименты. Предполагается, что малый размер наночастиц платины может быть чувствителен к влиянию структуры поверхности материала-основы, что может вызвать существенные изменения не только структуры самих наночастиц, но и их электронных характеристик. Для проверки этой гипотезы были проведены квантово-химические расчеты. В результате было установлено, что дефекты структуры материала-основы вызывают значительное перераспределение электронной плотности на поверхности наночастиц платины, что приводит к заметным изменениям адсорбционных и каталитических свойств материала», — комментирует профессор Сколтеха, д.ф.-м.н. Александр Квашнин.
«Перспективы этой работы весьма значительны! Мы живем в эпоху, когда появляется возможность буквально создавать катализатор, собирая его атом за атомом, воздействуя на структуру поддержки и наночастиц для достижения уникальной активности и долговечности. Подтверждением высокого уровня проделанной работы служит признание полученных результатов на международном уровне и публикация статьи в журнале Small, который входит в 1,5% наиболее авторитетных научных изданий мира в данной области. Однако, на мой взгляд, главное заключается в другом. Весь этот комплекс исследований мирового уровня, от экспериментальной части до теоретического обоснования, был осуществлен исключительно российскими научными группами. Это свидетельствует о том, что в стране сформирована мощная платформа для проведения передовых исследований, и мы способны самостоятельно решать самые сложные научно-технические задачи, укрепляя свой технологический суверенитет», — отмечает старший научный сотрудник Сколтеха, к.ф.-м.н. Илья Чепкасов.
Результаты исследования, опубликованного в журнале Small (IF=12), выполнено в рамках проекта РНФ под руководством молодого ученого № 24-79-10162.
«Поддержка Российского научного фонда имеет для нас огромное значение. Она позволила сконцентрироваться на решении непростой и масштабной задачи — не только разработать новый материал, но и глубоко изучить основные факторы, определяющие его свойства. Сотрудничество с коллегами из Сколтеха позволило нам подтвердить результаты экспериментов с помощью теоретических расчетов, — отметил руководитель проекта, выполняемого по гранту РНФ, ведущий научный сотрудник, кандидат химических наук. Анастасия Алексеенко.
Дальнейшие действия исследователей включают тестирование разработанного катализатора в работающих моделях топливных элементов и увеличение объемов его производства.