Исследователи Южного федерального университета совместно с коллегами из ведущих научных центров страны сделали значимый шаг в создании материалов для альтернативной энергетики. Их разработка — высокоэффективный универсальный катализатор, который способен ускорить внедрение топливных элементов будущего.
Водородо-воздушные и метанольные топливные элементы считаются одними из самых перспективных источников чистой энергии. В них в качестве энергоносителя используются водород или метанол. Топливо окисляется на аноде, генерируя электроны (которые создают ток во внешней цепи) и протоны. Однако реакция окисления метанола проходит медленно, что ограничивает мощность устройства.
Кроме того, дешевый водород, полученный, например, из метана, часто содержит примесь монооксида углерода (CO). CO также образуется как промежуточный продукт при окислении метанола. Это вещество является ядом для стандартных платиновых катализаторов: оно резко снижает скорость реакции на аноде и производительность всего элемента.
Решение нашла группа исследователей лаборатории «Технологии синтеза каталитически активных материалов» Химического факультета ЮФУ. Ученые разработали инновационный подход к созданию нового биметаллического катализатора PtRu/C.
«Особенностью нашего исследования была разработка универсального катализатора, одновременноэффективного не только в реакциях окисления водорода и метанола, но и монооксида углерода. В качестве такого материала был выбран PtRu/C катализатор, который по данным различных исследований является перспективным для эффективной реализации данных реакций. Мы разработали подход управления размером, размерной дисперсией и пространственным распределением биметаллических наночастиц PtRu, заключающийся в использовании газа СО в процессе синтеза в качестве стабилизатора растущих частиц. Подход позволил оптимизировать структуру катализатора таким образом, чтобы активные центры, на которых происходят реакции окисления, были максимально доступны для реагентов», – отметил младший научный сотрудник лаборатории Паперж Кирилл.
Рисунок. Вольтамперные и мощностные характеристики метанольных топливных элементов. Условия эксплуатации: 80°C, воздух на катоде: давление 150 кПа, расход 0,5 л/мин, 1 MCH3OH на аноде: расход 0.5 мл/мин. PtRu_CO – полученный в ЮФУ катализатор, PtRu_com – импортный коммерческий катализатор.
Работа велась в коллаборации с Институтом катализа СО РАН (Новосибирск) и ФИЦ ПХФ и МХ РАН (Черноголовка). Такой союз позволил применить весь арсенал современной науки: от высокоточной электронной микроскопии до испытаний в реальных прототипах топливных элементов.
«В ходе работы мы использовали комплекс современных физико-химических методов таких как рентгеновская дифрактометрия для определения степени сплавления металлов, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия для определения состава и состояния поверхности наночастиц (ЦКП «Национальный центр исследования катализаторов» Института катализа СО РАН), просвечивающая электронная микроскопия и энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия для определения среднего размера наночастиц, их пространственного распределения по поверхности углеродного носителя и состава (ЦКП ЮФУ «Высокоразрешенная электронная микроскопия»). Благодаря сотрудничеству с учеными из ФИЦ ПХФ и МХ РАН г. Черноголовки нам удалось протестировать катализаторы в единичных топливных элементах и доказать высокую эффективность полученных материалов по сравнению с коммерческими аналогами», – рассказала ведущий научный сотрудник лаборатории ЮФУ Алексеенко Анастасия.
Ценность этой работы подчеркивает и состав исследовательской группы: соавтором выступила аспирантка 1 года химического факультета, лаборант-исследователь Юлия Панкова. Ее путь в науке начался именно с этой темы, и теперь студенческий проект стал частью прорывного исследования.
«Для меня это исследование особенно ценно: моя работа в лаборатории началась именно с синтеза и изучения PtRu/C электрокатализаторов. Видеть, как дипломная работа перерастает в масштабное прикладное исследование, а наши усилия приводят к созданию катализатора, который превосходит коммерческие аналоги, — это большая мотивация для дальнейшей работы», — делится Юлия.
Благодаря комплексному анализу ученые смогли идентифицировать ключевые структурные отличия нового материала, которые и предопределили его превосходные электрохимические свойства. Эти преимущества были подтверждены как в лабораторных тестах (трехэлектродная ячейка), так и в составе работающего прототипа топливного элемента.
Результат говорит сам за себя: в тестах метанольного топливного элемента новый российский катализатор продемонстрировал вдвое большую максимальную мощность, чем коммерческие импортные аналоги.
Именно такие испытания, максимально приближенные к реальным условиям, являются решающей проверкой для любых перспективных разработок. Они — тот самый рубеж, который отделяет фундаментальное исследование от готовой технологии, подтверждая огромный потенциал для последующей коммерциализации.
Ожидается, что разработанный катализатор станет ключевым элементом для нового поколения энергоустановок. Его универсальность и стойкость открывают дорогу для массового внедрения водородных и метанольных топливных элементов в промышленность, знаменуя собой переход к более гибкой и экологичной энергетике.
Исследование проведено в рамках гранта Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» проект №23-79-00058, выполняющийся на базе ЮФУ под руководством Владислава Меньщикова: «В рамках этого проекта мы выполняем исследования по нескольким направлениям. Получение и тестирование платино-рутениевых катализаторов является одним из таких направлений, а совместное исследование на базе ИК СО РАН дает возможность применить оборудование мирового уровня в нашей работе».
Статья ученых опубликована вJournalofPowerSources (Q1, IF 9.2)— одном из наиболее авторитетных международных журналов в области электрохимии и энергетики.
Текст: Юлия Сопрунова, ред: Ольга Молоткова