Ученые из Южного федерального университета создали новый катализатор на основе наночастиц платины и меди, который, как ожидается, позволит снизить стоимость и увеличить срок службы топливных элементов. Инновационный материал демонстрирует активность, превышающую активность коммерческого аналога в 5,5 раза, при этом катализатор сохранил 67% эффективности после 30 тыс. циклов испытаний .
Топливные элементы нуждаются в катализаторах для преобразования водорода и кислорода в электричество. Как правило, эти компоненты производятся из платины, однако такие катализаторы отличаются высокой стоимостью и подвержены деградации.
Исследователи из лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» ЮФУ разработали новое решение. Ученые создали биметаллический катализатор на основе платины и меди, который демонстрирует выдающиеся показатели. Данное исследование реализуется в рамках проекта Российского научного фонда (РНФ) №24-79-10162. Руководит работой руководитель лаборатории, ведущий научный сотрудник химического факультета ЮФУ, кандидат химических наук Анастасия Анатольевна Алексеенко. Она рассказала о деталях своей работы корреспонденту «Научной России».
«В нашей лаборатории мы работаем над улучшением материалов для топливных элементов, в частности, над электрокатализаторами, создаваемыми на основе наночастиц платины и углеродного носителя», – рассказала А.А. Алексеенко. — В рамках проекта РНФ была разработана система катализа, состоящая из платино-медных наночастиц и углеродного носителя, структура которого изменена посредством введения атомов азота. Благодаря такому сочетанию удалось создать материал с улучшенными показателями, превосходящими характеристики как отечественных, так и зарубежных аналогов».
Использование меди в качестве компонента катализатора позволило снизить содержание дорогостоящего металла, что сделало материал более экономичным. Также, в процессе тестирования, новая структура продемонстрировала способность поддерживать высокую эффективность на протяжении длительного периода эксплуатации.
Применив три методики, имитирующие различные условия работы топливного элемента, ученые изучили деградацию материала, используя несколько технологий, чтобы отследить изменения в зависимости от ситуации.
Уникальность данного подхода уже вызывает интерес. Изучив существующие публикации, касающиеся деградации каталитических систем, специалисты ЮФУ установили, что информация в этой области нуждается в большей систематизации. В частности, исследователи, как правило, используют единый протокол тестирования материалов, что затрудняет сопоставление результатов, полученных различными научными группами.
«Наше исследование имеет фундаментальную направленность. Оно достаточно масштабное и нехарактерно для нашей лаборатории. Как правило, при исследовании материалов применяют один или максимум два протокола, то есть вида условий тестирования. В этом исследовании мы решили систематизировать данные, собираемые во время подобных испытаний, и провести тестирование по трем протоколам, соответствующих различным видам реальных эксплуатационных условий, — отметила А.А. Алексеенко. — Один из протоколов предполагает стационарную работу установки, моделирующую продолжительный период эксплуатации устройства. Другой вариант – это испытания в условиях экстремальных перепадов нагрузки, характеризующихся многократным циклом включения и выключения («старт–стоп-режим»). Наконец, третий протокол представляет собой промежуточный режим, сочетающий в себе элементы длительного тестирования и «старт–стоп-испытаний», что также находит применение на практике. Все эти протоколы рекомендованы мировым сообществом. Мы использовали их, принимая во внимание, что эти виды испытаний хорошо известны, чтобы другие исследователи, знакомясь с нашей работой, могли сопоставлять свои результаты с нашими».
Как рассказала А.А. Алексеенко, новый катализатор сохранял структуру на микроуровне даже после самых жестких испытаний. Наилучшим образом материал выдерживал стандартные условия тестирования, имитирующие работу устройства в устойчивом режиме.
«По нашему мнению, особенность этой работы заключается в том, что мы не ограничились сравнением характеристик материалов до и после стресс-тестирования (электрохимических параметров), а стремились определить, как меняется степень деградации катализатора после испытаний, проведенных по разным методикам. Характеристики катализатора, безусловно, всегда уменьшаются, и это вполне ожидаемо. Однако в различных условиях они могут ухудшаться по-разному, — пояснила А.А. Алексеенко. — Наша работа была сосредоточена на использовании различных методик для изучения внешнего вида наночастиц после проведения испытаний. В результате было установлено — что является нетипичным для материалов этого класса — даже при самых интенсивных условиях тестирования катализатор сохраняет присущие ему характеристики микроструктуры: сферическую форму и небольшой размер наночастиц».
Для детального исследования процесса деградации катализатора исследователи применили новаторскую методику IL-TEM — просвечивающую электронную микроскопию, обеспечивающую идентичное расположение участков. Благодаря этой методике исследователи смогли отследить изменения в расположении каждой отдельной наночастицы на углеродной подложке в процессе испытаний. Для детального изучения поверхности материала и выявления незначительных изменений в структуре частиц ученые использовали передовую технологию визуализации вторичных электронов ( Secondary Electron Imaging, SEI). Исследование осуществил ведущий инженер Илья Владимирович Панков в Центре коллективного пользования ЮФУ «Высокоразрешенная электронная микроскопия.
В высокорейтинговом международном журнале была опубликована статья, в которой ученые изложили сведения о ходе разработки Electrochimica Acta. Для Яны Вадимовны Астравух, лаборанта-исследователя и студентки химического факультета ЮФУ, данный проект стал ее первым крупномасштабным исследованием.
Исследователи рассчитывают, что полученные данные расширят существующие знания о трансформации микроструктуры сложных катализаторов. Также авторы работы акцентируют внимание на необходимости комплексного тестирования материалов с помощью различных методик и рекомендуют коллегам использовать подобную стратегию в своих работах.
«Наш грант Российского научного фонда рассчитан на три года. Мы завершили первый год реализации исследования, и сейчас начинается второй. В дальнейшем мы планируем получить серию материалов, различающихся структурой наночастиц и составом, и продолжим их изучение под воздействием различных факторов, чтобы установить определенные взаимосвязи, — сказала А.А. Алексеенко. — В будущем это позволит упростить выбор наиболее эффективных и устойчивых катализаторов, а также материалов, объединяющих эти качества».
Материал создан при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации