Российские
ученые создали более дешевые платиносодержащие катализаторы
Сотрудники
Южного федерального университета разработали платиносодержащий
электрокатализатор на основе нового архитектурного типа наночастиц. Получение
катализаторов, сочетающих активность и стабильность с пониженным содержанием
драгоценного металла, позволит значительно снизить стоимость электроэнергии,
производимой низкотемпературными топливными элементами. Работа выполнена в
рамках проекта, поддержанного грантом
Российского научного фонда (РНФ), а ее результаты были опубликованы
в International Journal
of Hydrogen
Energy.
Согласно
определению, катализатор – это химическое вещество, которое ускоряет химическую
реакцию и при этом не расходуется. С помощью электрокатализаторов можно
провести превращение энергии химической реакции, например, окисления водорода
кислородом, непосредственно в электроэнергию. Такое превращение реализовано в
водородно-воздушных топливных элементах – важном компоненте бурно развивающейся
водородной энергетики. Для изготовления электродов, на которых протекают
электрохимические превращения, применяют платиносодержащие электрокатализаторы.
К сожалению, их активность постепенно снижается, а сами они подвергаются
деградации. Задача состоит в том, чтобы разработать катализаторы, способные
обеспечить высокую скорость реакций в течение длительного периода эксплуатации.
Это необходимо для снижения стоимости производимой электроэнергии.
В
рамках проекта РНФ химики разработали платиномедные электрокатализаторы нового
поколения. Они сочетают пониженное содержание драгоценного металла с более
высокими, по сравнению с аналогами, активностью и стабильностью.
Ранее
ученые пытались создать электрокатализаторы на основе биметаллических
(содержащих два металла) наночастиц, представляющих собой равномерную смесь
атомов обоих компонентов (сплав). Затем основные усилия были направлены на
разработку методов получения и изучение свойств наночастиц с архитектурой
«металлическое ядро – платиновая оболочка». Предполагалось, 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. Существенное влияние на поведение
электрокатализаторов оказывало наличие границы 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 Владимир Гутерман, доктор химических наук,
руководитель проекта, директор научно-образовательного центра «Химия и физика
функциональных и наноструктурных неорганических материалов», профессор кафедры
электрохимии химического факультета Южного федерального университета.
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 7–8 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 для всех типов
биметаллических наночастиц характерно растворение части атомов легирующего
компонента (примесь, улучшающая физические свойства сплава), что может
негативно повлиять на характеристики других компонентов топливного элемента.
Поэтому они планируют подготовить катализаторы к эксплуатации не путем
электрохимического воздействия в топливном элементе, а посредством их
предобработки в специальных агрессивных средах. Тогда при последующем
использовании катализаторы будут демонстрировать высокие функциональные
характеристики уже при стабильном составе, что предотвратит отравление
полимерной мембраны.
