Ученые Южного федерального университета (ЮФУ) совместно с исследователями из Сколтеха, Института катализа СО РАН и МГТУ им. Н. Э. Баумана разработали катализатор, состоящий из пяти металлов, для водородных топливных элементов, который после продолжительных испытаний оказался в четыре раза эффективнее коммерческого аналога. Об этом сообщили в пресс-службе ЮФУ. 
«Стабильность катализаторов является важнейшим аспектом при создании высокоэффективных низкотемпературных топливных элементов. Мы продемонстрировали, что получение таких сложных систем представляет не только научный интерес, но и показывает потенциальные возможности для коммерческого использования благодаря высокой стабильности, например, для широкого применения в автомобилях и энергетических станциях», — отмечает ведущий научный сотрудник химического факультета ЮФУ Сергей Беленов.
Новый катализатор включает платину, палладий, медь, никель и кобальт. Химики ЮФУ разработали метод синтеза пятикомпонентных металлических наночастиц небольшого размера, равномерно распределенных на поверхности углеродного носителя.
Катализаторы для топливных элементов обычно изготавливаются из платины — эффективного, но дорогостоящего металла. Чтобы снизить стоимость, ее комбинируют с более доступными металлами. Однако при синтезе таких материалов часть металлов может оставаться в окисленном состоянии, а атомы распределяться неравномерно, поэтому материал дополнительно подвергают термической обработке.
Учёные впервые в реальном времени наблюдали, что происходит с наночастицами такого сплава при нагреве от 300 до 600 градусов Цельсия. Они выяснили, что при температуре выше 400 градусов структура сплава начинает изменяться, а его поверхность обогащается платиной, отвечающей за скорость реакции.
Стабильность катализатора
Компьютерное моделирование, проведенное исследователями Сколтеха, показало, что при нагреве до 600 градусов примерно 75% всех атомов платины оказывается в верхнем слое наночастиц, в то время как палладий перемещается вглубь. Благодаря этому, после термообработки катализатор работает эффективнее, хотя его активная площадь немного уменьшается из-за увеличения размера частиц.
Катализатор, обработанный при 350 градусах, после 10 тыс. циклов работы потерял 22% активности. У коммерческого платинового катализатора потери составили 40%. После продолжительных испытаний новый материал оказался в четыре раза активнее коммерческого аналога.
«Сочетание экспериментальных методов и компьютерного моделирования позволило нам понять, как именно атомы различных металлов перераспределяются внутри наночастиц при нагреве. Мы продемонстрировали, что можно управлять этим процессом и получать материалы с заранее заданными свойствами. Это важный шаг к созданию более доступных и долговечных топливных элементов», — говорит старший научный сотрудник Центра технологий материалов Сколтеха и соавтор работы Илья Чепкасов.
Разработанный катализатор может использоваться в топливных элементах для автомобилей, стационарных электростанций и портативных устройств. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 25–79–20045. Работа опубликована в журнале Journal of Alloys and Compounds.
Фото: hi-tech.mail.ru