Ученые Южного федерального университета открыли новые пути для получения высокоэффективных катализаторов для топливных элементов, которые будут безопасно применяться в промышленности. Выяснилось, что состав биметаллических наночастиц существенно влияет на функциональные характеристики электрокатализаторов.
Возможности использования водорода в энергетических целях известны давно, многие годы ученые находят новые способы его применения и тем самым развивают это направление. Сейчас водород стал важнейшей составляющей политики перехода в углеродно-нейтральное состояние энергетики России, поскольку он позволит существенно снизить загрязнения окружающей среды.
Исследования ученых Химического факультета ЮФУ как раз направлены на создание наноструктурных платиносодержащих катализаторов нового поколения, которые являются сердцем каждого водородо-воздушного топливного элемента и преобразуют химическую энергию топлива в электрическую. В наше время перспективными материалами для топливных элементов с протонообменной мембраной (ПОМТЭ) являются биметаллические катализаторы на основе платины. Сами топливные элементы — это химические источники тока, эффективные альтернативные источники энергии и неотъемлемая часть водородной энергетики. Такие устройства безопасны, экологичны, высокоэффективны и применяются в самых различных областях – от автотранспорта до портативных зарядных устройств. Однако высокая стоимость производства платиносодержащих катализаторов, главной составляющей топливного элемента, не дает водородной энергетике стремительно развиваться в России.
Сотрудники лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ Ангелина Павлец и Анастасия Алексеенко знают несколько способов получению недорогих и перспективных катализаторов для ПОМТЭ. Добавление(легирование) d-металлов в состав катализаторов позволяет не только сэкономить драгоценную платину, но и значительно повысить активность и стабильность материалов. В то же время, по словам специалистов, все еще остаются нерешенными вопросы касательно наиболее эффективной структуры и состава биметаллических наночастиц, а также сочетания этих двух факторов.
«Известно, что биметаллические наночастицы подвергаются растворению неблагородного металла в ходе работы катализатора, что может вывести топливный элемент из строя, поэтому важно обезопасить устройство от этого негативного эффекта уже на стадии дизайна катализатора» - сообщает о проблеме ведущий научный сотрудник Анастасия Алексеенко.
Для решения этой проблемы ученые провели исследование, результаты которого опубликованы в научном журнале International Journal of Hydrogen Energy.
«Предлагаемая нами предварительная электрохимическая обработка позволяет получить катализаторы стабильного состава. Такая обработка представляет собой вольтамперометрическое циклическое в определенном диапазоне потенциалов. В ходе циклирования происходит селективное растворение неблагородного металла из наночастиц и поверхности катализатора, подобно тому, как это происходило бы в топливном элементе. Мы установили, что независимо от исходного состава, катализаторы на основе наночастиц со структурой «сплав» в процессе электрохимической обработки приходят к одинаковому составу. Но несмотря на одинаковое содержание меди после обработки, активность катализаторов оказывается существенно разной», – рассказала младший научный сотрудник Ангелина Павлец.
В чем причина такого поведения? Химики ЮФУ выявили, что чем больше меди содержится в катализаторе на этапе синтеза, тем более высокой активностью в токообразующей реакции характеризуется материал. В ходе эксперимента также удалось получить платиномедный катализатор, состав которого не будет меняться при эксплуатации. Достаточно знать соотношение металлов Pt:Cu и рассчитать количество прекурсоров, необходимое для получения этого состава на этапе синтеза.
«Полученные нами результаты основаны на очень «тонких» структурных эффектах. Нам удалось получить материалы с малым размером наночастиц и высокой активностью в реакции восстановления кислорода. Сочетание применяемого нами простого метода синтеза и селективного растворения излишек меди позволяет получать недорогие и гораздо более активные, по сравнению с коммерческими аналогами, катализаторы. Благодаря проведенному исследованию мы открываем пути для получения высокоэффективных катализаторов, которые будут безопасно применяться в ТЭ и демонстрировать превосходные характеристики», - отметила Анастасия Алексеенко.
Исследование, проведенное научным коллективом ЮФУ в составе Анастасии Алексеенко, Ангелины Павлец, Ильи Панкова, Анатолия Никольского, Владимира Гутермана, Ольги Сафроненко и Алексея Козакова выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания в сфере научной деятельности № 0852-2020-0019.