Созданы более дешевые платиносодержащие катализаторы

Российские ученые разработали платиносодержащий электрокатализатор на основе нового типа наночастиц. Получение катализаторов, сочетающих активность и стабильность с пониженным содержанием драгоценного металла, позволит значительно снизить стоимость электроэнергии, которую производят при помощи низкотемпературных топливных элементов. Работа выполнена в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), а ее результаты были опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.

С помощью электрокатализаторов можно превращать энергию химической реакции, например окисления водорода кислородом, непосредственно в электроэнергию. Для изготовления электродов, на которых протекают электрохимические превращения, применяют платиносодержащие электрокатализаторы. К сожалению, их активность постепенно снижается, и их качество ухудшается. Задача состоит в том, чтобы разработать катализаторы, которые могут обеспечить высокую скорость реакций в течение длительного периода эксплуатации. Это нужно для того, чтобы снизить стоимость производимой электроэнергии.

В ходе новой работы химики разработали электрокатализаторы нового поколения из платины и меди. Они сочетают пониженное содержание драгоценного металла с более высокими, по сравнению с аналогами, активностью и стабильностью. Ранее ученые пытались создать электрокатализаторы на основе наночастиц сплава из двух металлов. Затем они разрабатывали методы получения наночастиц с архитектурой «металлическое ядро — платиновая оболочка» и изучали их свойства. Авторы предполагали, что оболочка будет защищать внутреннее содержимое наночастиц от разрушения в процессе эксплуатации катализатора, а ядро из никеля, кобальта, меди или другого металла будет повышать активность их платиновой оболочки.

Авторы статьи создали и протестировали такие частицы, но столкнулись с определенными трудностями. Во-первых, не все наночастицы в процессе синтеза приобретали необходимую структуру, а во-вторых, атомы металла-ядра все равно проникали на поверхность и загрязняли топливные элементы. Кроме того, на поведение электрокатализаторов значительно влияла граница раздела между оболочкой и ядром наночастиц. Поэтому ученые решили создать неоднородные по составу наночастицы с постепенно изменяющейся концентрацией компонентов.

«Мы разработали методику четырехстадийного синтеза платиномедных наночастиц с градиентной архитектурой, в которых концентрация атомов платины равномерно увеличивалась от ядра к поверхности наночастиц. В этой работе проведено исследование того, как подобная архитектура влияет на активность и устойчивость катализатора», — рассказал один из авторов работы, профессор Южного федерального университета Владимир Гутерман.

В ходе исследования авторы в четыре этапа наращивали на медные ядра наночастиц несколько новых слоев. Каждый последующий слой содержал больше платины и меньше меди, чем предыдущий. Ученые выяснили, что полученные катализаторы с градиентной архитектурой наночастиц теряют меньше меди при стресс-тестировании, чем аналогичные системы на основе наночастиц сплава или с архитектурой «оболочка — ядро». Исследователи провели испытания, в ходе которых чисто платиновые катализаторы деградировали на 75–98%, а градиентный платиномедный катализатор — на 12%. Это значит, что скорость его разрушения была примерно в семь-восемь раз меньше.

«Мы впервые показали, что градиентная архитектура наночастиц обуславливает высокую активность платинометаллических катализаторов. Их стабильность в несколько раз выше, чем у чисто платиновых. Теперь есть возможность получать аналогичные наночастицы с другими металлами, которые могут оказаться более эффективными. Более того, работа расширяет представления о том, как исходные состав и архитектура биметаллических наночастиц влияют на особенности их эволюции — последующего изменения состава и структуры при эксплуатации», — заключил ученый.

Авторы отмечают, что на начальном этапе работы электрокатализатора часть атомов всех типах биметаллических наночастиц часть атомов легирующего компонента растворяется, что может негативно повлиять на характеристики других компонентов топливного элемента. Поэтому ученые планируют подготовить катализаторы к эксплуатации не путем электрохимического воздействия в топливном элементе, а посредством их предварительной обработки в специальных агрессивных средах. Тогда при последующем использовании катализаторы будут демонстрировать высокие функциональные характеристики уже при стабильном составе, что предотвратит отравление полимерной мембраны.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.