Создан долговечный катализатор для водородных топливных элементов

Ученые Южного федерального университета совместно с исследователями из Сколтеха, Института катализа СО РАН и МГТУ им. Н. Э. Баумана разработали катализатор из пяти металлов для водородных топливных элементов, который по результатам длительных испытаний оказался в четыре раза эффективнее своего коммерческого аналога. Эту информацию сообщает издание ТАСС.

Стабильность катализаторов является важным аспектом для создания высокоэффективных низкотемпературных топливных элементов. Исследование показало, что создание таких сложных систем не только представляет научный интерес, но и открывает перспективы для коммерческого применения, например, для массового использования в автомобилях и энергетических станциях.

Новый катализатор включает платину, палладий, медь, никель и кобальт. Химики разработали метод синтеза металлических наночастиц, равномерно распределенных по углеродному носителю.

Обычно катализаторы для топливных элементов изготавливаются из платины, которая является дорогим металлом. Для снижения стоимости ее комбинируют с более доступными металлами. Однако при этом часть металлов может оставаться в окисленном состоянии, что требует дополнительной термической обработки.

Ученые впервые смогли наблюдать за поведением наночастиц сплава при нагреве от 300 до 600 градусов Цельсия. Они выяснили, что при температуре выше 400 градусов структура сплава начинает изменяться, а его поверхность обогащается платиной, что влияет на скорость реакции.

Компьютерное моделирование, проведенное исследователями, показало, что при нагреве до 600 градусов около 75% атомов платины оказывается на поверхности наночастиц, в то время как палладий уходит вглубь. Это улучшает эффективность катализатора, хотя его активная площадь немного уменьшается из-за увеличения размера частиц.

Катализатор, обработанный при 350 градусах, после 10 тысяч циклов работы потерял 22% активности, тогда как у коммерческого платинового катализатора потери составили 40%. После испытаний новый материал оказался в четыре раза активнее аналогов.

Сочетание экспериментальных методов и компьютерного моделирования позволило понять, как атомы различных металлов перераспределяются в наночастицах при нагреве. Это открывает возможность управления процессом и получения материалов с заданными свойствами, что является важным шагом к созданию более доступных и долговечных топливных элементов.

Разработанный катализатор может использоваться в топливных элементах для автомобилей, стационарных электростанций и портативных устройств. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда.