Наночастицы предотвращают деградацию недорогих катализаторов

Инженеры из Иллинойского университета в Чикаго разработали материал, который может предотвратить деградацию катализаторов в автомобилях с батарейным питанием.

По сравнению с литиевыми батареями, технология топливных элементов основана на химических реакциях, запускаемых катализатором. Литиевые батареи обычно дают возможность проехать от 100 до 300 миль на одном заряде, однако для этого требуется нескольких часов зарядки. Кроме того, такие батареи дорогие — из-за высокой стоимости катодных материалов.

В качестве альтернативы используют множество элементов, таких как кислород и водород, которые позволяют проехать более 400 миль, а для зарядки нужно менее пяти минут. К сожалению, катализаторы, используемые для запуска таких реакций, сделаны из материалов, которые либо слишком дороги (например, платина), либо слишком разлагаемые, чтобы их можно было использовать.

Новый аддитивный материал может сделать недорогой железо-азотно-углеродный катализатор топливных элементов более долговечным. При добавлении в химические реакции присадки, системы топливных элементов защищаются от двух наиболее агрессивных побочных продуктов: нестабильных частиц, таких как атомы, молекулы или ионы, называемых свободными радикалами, и перекиси водорода.

Разработчики использовали передовые методы визуализации для исследования реакций с материалом, который представляет собой добавку, состоящую из наночастиц оксида тантала и титана, удаляющих и дезактивирующих свободные радикалы.

«Мы узнали, что происходит в атомной структуре добавок, и смогли определить размеры наночастиц-поглотителей, соотношение оксида тантала и титана. Это привело к пониманию правильного состояния сплава твердого раствора, необходимого для защиты топливного элемента от коррозии и деградации», — рассказывает Реза Шахбазян-Яссар, профессор машиностроения и промышленной инженерии университета.

Эксперименты показали, что размер наночастиц должен составлять около пяти нанометров. Необходимое соотношение тантала и оксида титана — 6:4. Когда наночастицы были добавлены к реакциям систем топливных элементов, выход пероксида водорода составил менее 2% (снижение — на 51%), а затухание плотности тока топливных элементов уменьшилось с 33% всего до 3%.