Более дешёвый и долговечный катализатор для топливных элементов создан учёными ЮФУ

Новое устройство на основе платины и меди решает проблему высокой стоимости материалов

Исследователи Южного федерального университета (ЮФУ) нашли способ усовершенствовать топливные элементы, сделав их доступнее и долговечнее. Их новый катализатор на основе платины и меди ускоряет реакции, необходимые для выработки электричества, и решает проблему высокой стоимости материалов.

Топливные элементы преобразуют химическую энергию в электричество, но их широкое применение ограничено дороговизной платины и недолговечностью катализаторов. Команда ЮФУ изучила, как биметаллические наночастицы на основе платины и меди ведут себя в условиях, близких к реальным. Новый материал показал активность в 5,5 раз выше, чем коммерческие аналоги, и сохранил 67% эффективности после 30 000 циклов тестирования.

Ключевым инструментом исследования стал метод IL-TEM, реализованный на микроскопе JEOL JEM-F200. Вместе с технологией SEI (визуализация вторичных электронов) он позволил учёным наблюдать изменения наночастиц на углеродной подложке с точностью до атомов до и после испытаний.

В этой работе, в дополнение к методу IL-TEM, также была применена передовая технология «визуализации вторичных электронов» (Secondary Electron Imaging, SEI). Этот метод позволяет получить высоко детализированную картину поверхности и обнаружить даже минимальные морфологические изменения образца.
— Илья Панков, ведущий инженер

Схематическое изображение применения метода IL-TEM: каталитические чернила нанесены на маркированную сетку (а); участок сетки, выбранный для изучения в микроскопе (б, в); исследование локального участка образца катализатора выполнено до проведения тестирования (г); сетка помещена в трехэлектродную ячейку и подвергнута тестированию (д); повторное исследование образца в микроскопе выполнено на том же участке катализатора после тестирования (е)

Три методики стресс-тестов показали разные механизмы деградации.

Наиболее устойчивым материал оказался в стандартном каталитическом протоколе, соответствующий стационарной работе устройства, где основной механизм деградации — растворение наночастиц без последующего переосаждения.
— Елизавета Могучих, младший научный сотрудник

Изображения IL-TEM образца катализатора в состоянии после приготовления (a,в) и после тестирования (б, г). Окружности обозначают частицы, которые изменяют размер: жёлтый цвет — уменьшение, зеленый — увеличение, синий — исчезновение. Жёлтые стрелки обозначают изменения в структуре носителя. Розовые стрелки обозначают миграцию частиц по поверхности носителя

Исследование также выявило проблему: разные группы учёных используют разные условия тестирования, что затрудняет сравнение результатов. Ангелина Павлец отметила:

Мы провели сбор и анализ опубликованных исследований по теме применения IL-TEM подхода к оценке деградации сложных каталитических систем и выявили, что отсутствует систематизация данных. Исследователи используют различные условия тестирования, что затрудняет сопоставление полученных результатов между разными группами. Так же в работах используется не более двух методик тестирования для одного образца, что на наш взгляд, является недостаточным для аттестации характеристик каталитических систем.
— Ангелина Павлец, младший научный сотрудник

Результаты опубликованы в журнале Electrochimica Acta (Q1, импакт-фактор 6.6). Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект №24-79-10162).

Мы надеемся, что представленные нами результаты преобразования микроструктуры сложной каталитической системы будут способствовать развитию этой области и призовут ученых всесторонне изучать объекты, в том числе с применением нескольких методик тестирования в сочетании с оценкой одних и тех же локальных участков катализатора до и после испытаний.
— Анастасия Алексеенко, ведущий научный сотрудник, руководитель лаборатории

Новый катализатор снижает содержание платины за счет добавления меди, удешевляя производство. По сравнению с другими катализаторами, такими как чисто платиновые, разработка ЮФУ требует меньше драгоценного металла и лучше выдерживает нагрузки.

Читайте ещё материалы по теме:

Новое реле контроля изоляции для систем бесперебойного питания разработано студентами НИЯУ МИФИ

ТРИНИТИ и МИФИ создают центр подготовки кадров для термоядерной энергетики

Новые оптические модули связи для БПЛА разрабатывает Рязанский радиотехнический университет