Ученые ЮФУ занялись водородной энергетикой

Маргарита Парфененкова

Ученые Южного федерального университета открыли новые пути для получения высокоэффективных катализаторов для топливных элементов, которые можно использовать в области водородной энергетики.

Исследования ученых Химического факультета ЮФУ направлены на создание наноструктурных платиносодержащих катализаторов нового поколения, которые являются сердцем каждого водородо-воздушного топливного элемента и преобразуют химическую энергию топлива в электрическую, говорится в сообщении ЮФУ.
В настоящее время перспективными материалами для топливных элементов с протонообменной мембраной (ПОМТЭ) являются биметаллические катализаторы на основе платины. Сами топливные элементы — это химические источники тока, эффективные альтернативные источники энергии и неотъемлемая часть водородной энергетики. Такие устройства безопасны, экологичны, высокоэффективны и применяются в самых различных областях – от автотранспорта до портативных зарядных устройств. Однако высокая стоимость производства платиносодержащих катализаторов, главной составляющей топливного элемента, не дает водородной энергетике более быстро развиваться в России.
Ученые ЮФУ предложили несколько способов получения недорогих и перспективных катализаторов для ПОМТЭ. Добавление(легирование) d-металлов в состав катализаторов позволяет не только сэкономить драгоценную платину, но и значительно повысить активность и стабильность материалов.
«Известно, что биметаллические наночастицы подвергаются растворению неблагородного металла в ходе работы катализатора, что может вывести топливный элемент из строя, поэтому важно обезопасить устройство от этого негативного эффекта уже на стадии дизайна катализатора» — рассказала ведущий научный сотрудник ЮФУ Анастасия Алексеенко. Для решения этой проблемы ученые провели исследование, результаты которого опубликованы в научном журнале International Journal of Hydrogen Energy.
Исследователи предложили применять предварительную электрохимическую обработку, чтобы получить катализаторы стабильного состава. Такая обработка представляет собой вольтамперометрическое циклическое в определенном диапазоне потенциалов. «В ходе циклирования происходит селективное растворение неблагородного металла из наночастиц и поверхности катализатора, подобно тому, как это происходило бы в топливном элементе. Мы установили, что независимо от исходного состава, катализаторы на основе наночастиц со структурой «сплав» в процессе электрохимической обработки приходят к одинаковому составу. Но несмотря на одинаковое содержание меди после обработки, активность катализаторов оказывается существенно разной», – рассказала младший научный сотрудник Ангелина Павлец.
Химики ЮФУ выявили, что чем больше меди содержится в катализаторе на этапе синтеза, тем более высокой активностью в токообразующей реакции характеризуется материал. В ходе эксперимента также удалось получить платиномедный катализатор, состав которого не будет меняться при эксплуатации. Достаточно знать соотношение металлов Pt:Cu и рассчитать количество прекурсоров, необходимое для получения этого состава на этапе синтеза.
«Полученные нами результаты основаны на очень «тонких» структурных эффектах. Нам удалось получить материалы с малым размером наночастиц и высокой активностью в реакции восстановления кислорода. Сочетание применяемого нами простого метода синтеза и селективного растворения излишек меди позволяет получать недорогие и гораздо более активные, по сравнению с коммерческими аналогами, катализаторы. Благодаря проведенному исследованию мы открываем пути для получения высокоэффективных катализаторов, которые будут безопасно применяться в ТЭ и демонстрировать превосходные характеристики», — отметила Анастасия Алексеенко.