Российские ученые улучшили характеристики катализаторов для водородо-воздушных топливных элементов

Ученые Южного федерального университета (ЮФУ) предложили новый способ повышения активности катализаторов для водородо-воздушных топливных элементов. Фундаментальное исследование ученых в будущем может иметь прикладное значение: к примеру, разработки могут быть полезны при создании автомобилей, кораблей, портативных устройств, работающих на водороде.

Водород + воздух = экологически безопасная энергия

Водородо-воздушные топливные элементы — это устройства, делающие возможным преобразование химической энергии топлива (водорода и кислорода) в электрическую энергию. Электрокатализаторы необходимы для протекания токообразующих реакций.

Как работают водородо-воздушные топливные элементы, и почему этот способ считается экологичным? Вот как это объясняют ученые ЮФУ: в процессе работы водородо-воздушного топливного элемента на аноде реализуется реакция окисления водорода, в ходе которой образуются два протона и два электрона. Электроны проходят через внешнюю цепь и дают устройству необходимое электричество, а протоны проходят через специальную протонопроводящую мембрану. Как электроны, так и протоны достигают катода, где далее реагируют с подающимся кислородом, осуществляя реакцию его электровосстановления. Таким образом, продуктами работы водородо-воздушного топливного элемента являются электричество, небольшое количество тепла и вода. Именно поэтому такой способ получения электрической энергии является экологически безопасным.

Реакции активнее, материалы стабильнее

Для протекания как реакции окисления водорода, так и реакции восстановления кислорода необходимо присутствие в системе катализатора. Наилучшими катализаторами считаются наночастицы платины или ее сплавов, нанесенные на углеродный носитель.

Снизить содержание в катализаторах дорогостоящей платины и повысить их активность в реакции электровосстановления кислорода — вот ключевые задачи, решение которых необходимо для широкого использования водородо-воздушных топливных элементов в самых разнообразных устройствах, от автобусов и автомобилей до портативных зарядных устройств.

Ученые ЮФУ предложили способ повышения активности катализаторов для водородо-воздушных топливных элементов. Использование добавок других металлов (медь, никель, кобальт, палладий, золото) к платине дает возможность увеличить активность, а в ряде случаев и повысить стабильность таких материалов. Россия располагает колоссальными запасами таких металлов, и еще одна ниша их применения — это производство наноструктурных катализаторов для водородной энергетики.

Важная особенность катализаторов, содержащих никель, кобальт, медь, — недостаточная термодинамическая стабильность легирующего компонента (элемента, добавляемого для улучшения свойств основного материала). Это приводит к его частичному растворению в процессе работы топливного элемента. По словам младшего научного сотрудника лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» химического факультета ЮФУ Ангелины Павлец, наиболее интенсивное растворение легирующего компонента, как правило, происходит на стадии первичной электрохимической активации катализаторов. Однако если изменить диапазон потенциалов на этой стадии, то возможно более чем в два раза повысить активность катализаторов в реакции восстановления кислорода.

«Важный аспект новизны и оригинальности проведенного нами исследования заключается в изучении особенностей электрохимической активации реальных электрокатализаторов на основе малоразмерных (3–5 нм) биметаллических наночастиц. Ранее подобные исследования были проведены только для единичных крупных наночастиц (более 10 нм), существенно отличающихся по своим термодинамическим характеристикам. Катализаторы на основе таких крупных наночастиц вряд ли пригодны для использования в топливных элементах. Кроме того, мы предложили новый электрохимический подход к оценке изменения каталитической активности катализаторов, который позволяет зафиксировать условия критического изменения их микроструктуры», — отметила ведущий научный сотрудник Анастасия Алексеенко.

Катализатор под микроскопом                    

Большинство исследователей пытается улучшить характеристики электрокатализаторов, оптимизируя состав и архитектуру биметаллических наночастиц. Как отметил главный научный сотрудник Владимир Гутерман, ученые ЮФУ впервые показали, что правильный выбор условий предварительной активации позволяет почти в два раза повысить активность одних и тех же катализаторов.  

Дальнейшее исследование связано с тестированием полученных материалов в реальных устройствах — топливных элементах, а также масштабированием метода предварительной активации катализаторов для более технологичного процесса их получения.

Изучение микроструктуры электрокатализаторов было проведено кандидатом химических наук, младшим научным сотрудником Центра коллективного пользования «Высокоразрешенная электронная микроскопия» Ильей Панковым. Благодаря наличию в ЮФУ просвечивающего электронного микроскопа нового поколения JEOL JEM-F200 были получены высококачественные изображения участков поверхности катализаторов, изучены карты распределения отдельных элементов по их поверхности, в том числе в отдельных наночастицах. Микроскоп был закуплен в рамках программы Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по обновлению приборной базы в рамках нацпроекта «Наука и университеты».

Исследование проведено в рамках проекта Российского научного фонда № 20-79-10211 «Влияние эволюции состава/структуры биметаллических наночастиц на каталитическую активность», выполняемого под руководством ведущего научного сотрудника лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» химического факультета ЮФУ Сергея Беленова. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Surface Science.