Новый катализатор на основе наночастиц из платины и меди, призванный сделать топливные элементы дешевле и долговечнее, разработали ученые из Южного федерального университета. Активность инновационного материала в 5,5 раз выше, чем у коммерческого аналога, при этом катализатор сохранил 67% эффективности после 30 тыс. циклов испытаний.
Изображения IL-TEM образца катализатора в состоянии после приготовления (a, в) и после тестирования (б, г). Окружности обозначают частицы, изменяющие размер: желтый цвет — уменьшение, зеленый — увеличение, синий — исчезновение. Желтыми стрелками отмечены изменения в структуре носителя. Розовыми стрелками показана миграция частиц по поверхности носителя.
Источник изображения: Центр общественных коммуникаций ЮФУ
Без катализаторов топливные элементы не могли бы преобразовывать водород и кислород в электричество. Обычно эти «помощники» изготавливаются из платины, но такие катализаторы дорого стоят и со временем теряют свойства.
Новое решение предложили исследователи из лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» ЮФУ. Ученые создали биметаллический катализатор на основе платины и меди, обладающий рекордно высокими характеристиками. Исследование проводится в рамках проекта Российского научного фонда (РНФ) №24-79-10162. Работы возглавляет руководитель лаборатории, ведущий научный сотрудник химического факультета ЮФУ, кандидат химических наук Анастасия Анатольевна Алексеенко. Она поделилась подробностями работы с корреспондентом «Научной России».
Ведущий научный сотрудник химического факультета ЮФУ Анастасия Анатольевна Алексеенко.
Фото: Центр общественных коммуникаций ЮФУ
«В нашей лаборатории мы занимаемся совершенствованием материалов для топливных элементов, а именно электрокатализаторов на основе наночастиц платины и углеродного носителя <…>, — рассказала А.А. Алексеенко. — В рамках проекта РНФ мы разработали катализатор, объединяющий платиново-медные наночастицы и углеродный носитель, модифицированный атомами азота. Эта комбинация позволила получить новый материал, обладающий более высокими характеристиками по сравнению с аналогами — в том числе с аналогами мирового уровня».
Включение меди в катализатор позволило уменьшить долю драгоценного металла в материале, таким образом сделав его доступнее. Кроме того, во время испытаний новая структура показала способность сохранять эффективность в течение длительного срока работы.
Исследователи протестировали катализатор по трем методикам, соответствующим различным условиям эксплуатации топливного элемента, и с помощью нескольких технологий пронаблюдали за тем, как деградирует материал в зависимости от ситуации.
Такой комплексный подход сам по себе заслуживает внимания. Проанализировав ранее опубликованные работы, посвященные деградации каталитических систем, ученые ЮФУ пришли к выводу, что данные в этой сфере недостаточно систематизированы: так, исследователи чаще всего выбирают один протокол тестирования материалов, из-за чего коллегам из разных команд оказывается сложнее сверять свои результаты.
О новом катализаторе, повышающем эффективность работы топливных элементов, корреспонденту «Научной России» рассказала руководитель лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» ЮФУ Анастасия Анатольевна Алексеенко, возглавляющая исследование.
Фото на стоп-кадре видео: Центр общественных коммуникаций ЮФУ
«Наше исследование носит фундаментальный характер. Оно достаточно масштабное и нетипичное для нашей лаборатории. Обычно <…> для исследования материалов используются один или максимум два протокола, то есть вида условий тестирования. В <…> этом исследовании мы решили систематизировать данные, [собираемые во время подобных испытаний], и провести тестирование по трем протоколам, соответствующим различным видам реальных эксплуатационных условий, — отметила А.А. Алексеенко. — Один из протоколов — это стационарная работа установки, имитирующая длительный период функционирования устройства. Второй вариант — это очень жесткие условия <…>, “включение-выключение” (так называемый “старт–стоп–режим”). Наконец, третий протокол — это промежуточный уровень между длительным тестированием и “старт–стоп–испытаниями” <…>, что также встречается на практике. Все эти протоколы рекомендованы мировым сообществом. Мы применяли их с учетом, что эти виды испытаний заведомо известны, для того чтобы другие ученые, читая нашу статью, могли сравнивать свои результаты с нашими».
Соавторы исследования — сотрудники ЮФУ (слева направо: Яна Астравух, Илья Панков, Ангелина Павлец, Анастасия Алексеенко, Елизавета Могучих).
Фото: Центр общественных коммуникаций ЮФУ
Как рассказала А.А. Алексеенко, новый катализатор сохранял особенности микроструктуры даже после самых суровых испытаний. Лучше всего материал переносил стандартные условия тестирования, имитирующие стационарную работу устройства.
«На наш взгляд, эта работа уникальна еще и тем, что мы не просто сопоставляли характеристики материалов до и после стресс-тестирования (так называемые электрохимические параметры), а пытались выявить разницу в деградации катализатора после испытаний по различным протоколам. Характеристики катализатора <…>, конечно, всегда снижаются, и это нормально. Но в разных условиях они могут ухудшаться по-разному, — пояснила А.А. Алексеенко. — И наша работа как раз была направлена на применение различных методик, чтобы пронаблюдать, <…> как выглядят наночастицы после испытаний. В результате было определено — и это необычно для подобных материалов — что даже в самых жестких условиях тестирования катализатор сохраняет характерные особенности микроструктуры: сферическую форму и малый размер наночастиц».
Чтобы подробно изучить процесс деградации катализатора, ученые использовали уникальный метод IL-TEM — просвечивающую электронную микроскопию с идентичным расположением участков. С его помощью исследователи проследили, как во время испытаний менялось расположение буквально каждой отдельной наночастицы на углеродной подложке. А детально рассмотреть поверхность материала и заметить мельчайшие изменения в структуре частиц ученым помогла передовая технология визуализации вторичных электронов (Secondary Electron Imaging, SEI). Исследование было проведено в Центре коллективного пользования ЮФУ «Высокоразрешенная электронная микроскопия» ведущим инженером Ильей Владимировичем Панковым.
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).
Источник изображения: Центр общественных коммуникаций ЮФУ
Детали разработки ученые представили в статье в высокорейтинговом международном журнале Electrochimica Acta. Для одного из членов авторского коллектива — студентки химического факультета ЮФУ, лаборанта-исследователя Яны Вадимовны Астравух — проект стал первым масштабным исследованием.
Ученые надеются, что полученные результаты обогатят знания в области изучения изменений микроструктуры сложных каталитических систем. Кроме того, авторы работы подчеркивают важность всестороннего тестирования материалов с использованием нескольких методов и призывают коллег применять такой подход в своих исследованиях.
«Наш грант РНФ рассчитан на три года. Мы подвели итоги первого года реализации исследования, сейчас только начинается второй. В дальнейшем мы хотим получить серию материалов, отличающихся друг от друга по структуре наночастиц и составу, и продолжить исследовать их в широком диапазоне воздействий, чтобы выявить определенные корреляции, — сказала А.А. Алексеенко. — В будущем это позволит более легко выбрать [из созданных структур] самый активный и самый стабильный катализаторы, а также материалы <…>, сочетающие в себе обе эти характеристики».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник изображений на превью и на странице: Центр общественных коммуникаций ЮФУ
