Фосфатная «шуба» помогла стабилизировать материалы для водородных топливных элементов

Ученые Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики» на базе ФИЦ «Институт катализа СО РАН» повысили стабильность материала для электродов в щелочных водородных топливных элементах. Они получили материал, содержащий никель и фосфор, который не боится глубокого окисления. В перспективе такая разработка может повысить мощность топливных элементов. Исследование опубликовано в Journal of Electroanalytical Chemistry.

Водородный топливный элемент состоит из набора электрохимических ячеек, в каждой из которых есть пара электродов (катод и анод), содержащих катализаторы и разделенных тонкой мембраной. В щелочном топливном элементе на катод подают газообразный кислород, который в ходе электрохимического восстановления в присутствии воды превращается в гидроксид-ионы. Они проходят через мембрану к аноду, где взаимодействуют с газообразным водородом. В результате по цепи между анодом и катодом движутся электроны, создавая ток, а при взаимодействии гидроксид-ионов и водорода образуется чистая вода. В производстве щелочных топливных элементов существует важная проблема — необратимое окисление электродов. Чтобы удешевить их, производители отказываются от платиновых катализаторов и используют никелевые. Они легко окисляются на воздухе и теряют способность активно превращать водород в воду и электричество. Такие топливные элементы работают не на полную мощность.

В Водородном центре компетенций НТИ создают и исследуют различные каталитические материалы для водородной энергетики. Так, ученые создали никель-фосфорный материал методом электроосаждения, который исследовали в реакции окисления водорода в модельной низкотемпературной ячейке. Модельная система позволяет изучать конкретное, отдельное явление, отсекая лишние процессы, которые присутствуют в ячейке реального топливного элемента.

«Никель-фосфорные системы в основном исследовались для электролизеров, как катализаторы, на которых выделяется водород в ходе разложения воды. В окислении водорода такие системы изучены слабо. Никелевые катализаторы легко окисляются на воздухе или даже в самих топливных элементах при определенных условиях. Мы обнаружили, что никель-фосфорный образец в электрохимической ячейке легко может восстанавливаться практически до исходного состояния после глубокого окисления. Чисто никелевый материал окисляется необратимо. Мы заинтересовались этим эффектом и после детальных исследований выяснили, что на поверхности полученного никель-фосфорного катализатора быстро образуется фосфатная «шуба» — оболочка, которая практически моментально защищает и сохраняет свойства исходного материала. После окисления мы можем легко вернуть систему в исходное состояние, и она снова будет работать эффективно», — рассказывает ведущий автор исследования, младший научный сотрудник ЦК НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» и Института катализа СО РАН Алексей Кузнецов.

По словам ученого, процесс восстановления никель-фосфорного катализатора можно сравнить с окислением алюминия. В чистом виде алюминий бурно реагирует с кислородом или водой. Но на его поверхности легко и быстро образуется тонкая пленка оксида, которая хорошо его защищает, благодаря чему металл можно безопасно использовать.

В планах ученых — повысить активность синтезированного материала в окислении водорода до более высокого уровня, чтобы он получил развитие в приложении к реальным топливным элементам, при этом сохранив свои свойства. Возможно, обнаруженный эффект найдет применение и в других областях, например, для повышения коррозионной устойчивости материалов, используемых в агрессивных средах.