Новый катализатор позволит сократить расход платины в водородных топливных элементах на 75%

Исследователи из испанского Института материалов IMDEA разработали катализатор, который содержит на 75% меньше платины, но по эффективности практически не уступает катализатору из чистого драгоценного металла. Добиться такого результата ученым удалось с помощью небольшого механического сжатия, изменяющего свойства материала на атомном уровне.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Electrochimica Acta. Авторы работы считают, что их разработка может стать важным шагом к снижению стоимости водородных топливных элементов и расширению их применения в энергетике и транспорте. Топливные элементы вырабатывают электричество в результате электрохимической реакции между водородом и кислородом. Во время их работы не происходит традиционного сжигания топлива, а основным побочным продуктом становится вода. Благодаря этому водородные установки рассматриваются как один из перспективных инструментов перехода к низкоуглеродной энергетике. Однако массовому внедрению технологии мешает высокая стоимость оборудования.

Одним из наиболее дорогих его компонентов остается платина, которая используется в качестве катализатора. Этот металл обладает высокой активностью и устойчивостью, но является редким и дорогостоящим. Поэтому ученые пытаются либо найти ему замену, либо уменьшить необходимое количество платины без ухудшения характеристик устройства. Особенно важен катализатор для реакции восстановления кислорода. Она протекает сравнительно медленно и ограничивает общую производительность топливного элемента. Платина ускоряет этот процесс, однако ее значительное содержание повышает себестоимость системы.

Специалисты IMDEA Materials предложили использовать вместо чистой платины сплав Cu₃Pt, состоящий из меди и платины. Его нанесли на никель-титановую подложку, обладающую эффектом памяти формы. Такая основа позволяет управлять механическим состоянием активного слоя и создавать в нем необходимую деформацию. Исследователи подвергли материал сжатию менее чем на 1%. Несмотря на кажущуюся незначительность такого воздействия, его оказалось достаточно, чтобы изменить электронную структуру поверхности и повысить каталитическую активность сплава. Во время электрохимических испытаний сжатый катализатор достиг потенциала 855 милливольт при плотности тока 1 миллиампер на квадратный сантиметр.

Катализатор из чистой платины в тех же условиях показал результат 856 милливольт. Таким образом, разница между ними оказалась минимальной, хотя новый материал содержит в четыре раза меньше дорогостоящего металла. Эксперименты проводились в сильнокислой среде с показателем pH, близким к единице. Такие условия особенно важны для оценки катализаторов, поскольку они должны не только ускорять необходимую реакцию, но и сохранять свои свойства в химически агрессивной среде. Ученые также проверили, что произойдет при растяжении материала. Увеличение его размера на 0,8% привело к заметному ухудшению производительности. Этот результат подтвердил теоретические расчеты: сжатие и растяжение по-разному изменяют взаимодействие атомов поверхности с участвующими в реакции веществами.

Как объясняют авторы, механическая деформация влияет на силу, с которой промежуточные соединения удерживаются на поверхности катализатора. Если связь слишком слабая, химическая реакция протекает недостаточно эффективно. Если она чрезмерно сильная, продукты реакции не могут вовремя покинуть поверхность. Небольшое сжатие позволило приблизить свойства медно-платинового сплава к оптимальному состоянию. Дополнительный положительный эффект возник непосредственно во время электрохимической реакции. Анализ показал, что часть меди избирательно растворяется с поверхности материала. В результате формируется слой толщиной всего несколько нанометров, обогащенный платиной.

Под ним сохраняется структура сплава, содержащая значительно меньше драгоценного металла. Таким образом, высокая эффективность достигается за счет сочетания двух процессов. Механическое сжатие изменяет электронные свойства катализатора, а химическая самоорганизация создает на его поверхности чрезвычайно тонкий активный платиновый слой. При этом использовать большое количество чистой платины во всем объеме материала не требуется. Ведущий автор работы Хорхе Редондо назвал полученный результат подтверждением возможностей инженерии упругой деформации. Этот подход предполагает целенаправленное изменение свойств материалов путем небольшого сжатия или растяжения без их необратимого разрушения.

Поскольку платина является самым дорогим компонентом подобных катализаторов, сокращение ее содержания на три четверти теоретически может заметно уменьшить производственные расходы. Однако это не означает, что стоимость готовых топливных элементов сразу снизится на 75%: в их конструкцию входят и другие дорогостоящие материалы и компоненты. Разработка пока находится на лабораторной стадии. Исследователям предстоит доказать, что катализатор можно недорого и стабильно выпускать в промышленных масштабах. Необходимо также выяснить, сохранится ли заданное механическое сжатие после длительной эксплуатации и множества рабочих циклов. Тем не менее первые результаты показывают, что управляемая деформация материала способна значительно сократить зависимость водородной энергетики от дорогостоящей платины. Если технология подтвердит долговечность и пригодность для массового производства, она может сделать топливные элементы более доступными и конкурентоспособными.

• Управляемые микротрещины помогли создать сверхмалые пиксели из квантовых точек
• Сверхбыстрые рентгеновские импульсы позволили увидеть химические реакции на уровне отдельных атомов
• Квантовый сенсор поможет искать темную материю
• Смартфоны родителей могут тревожить подростков
• Смартфон сможет измерять пульс при разблокировке: новая технология открывает путь к массовому мониторингу здоровья
• Искривлённый графен показал скрытый «переключатель» сверхпроводимости
• Роботы-гуманоиды идут в школу: в Китае готовят машины к реальной жизни
• Популярные чат-боты ИИ имеют тревожную уязвимость в шифровании — это означает, что хакеры могли легко перехватывать сообщения