Причину деградации некоторых электрокатализаторов топливных элементов и методику тестирования их устойчивости разработали ученые химфака Южного федерального университета (ЮФУ), 4 сентября сообщает пресс-служба вуза.

Исследователи ЮФУ установили, что за устойчивость к деградации отвечают структурно-морфологические особенности электрокатализаторов, так необходимых для двигателей будущего и экологичных машин.

В нынешнюю эпоху энергетического перехода к более экологичным технологиям, в том числе к развитию водородной энергетики, возникла большая потребность в электрокатализаторах для водородо-воздушных топливных элементов. Поэтому их разработка так важна для достижения и укрепления технологического суверенитета нашей страны.

Электрокатализаторы служат в качестве источника электроэнергии различных устройств, в том числе электромобилей, портативных устройств — ноутбуков, смартфонов и стационарных энергетических систем. Кроме того, их используют в химическом производстве и для электролиза воды.

Преимуществом электрокатализаторов являются высокая эффективность, которая для электромобилей обеспечивает дальний запас хода, бесшумность, универсальность (по сравнению с батареями), а также экологичность, так как побочным продуктом их работы является только вода.

Важнейшей характеристикой катализаторов для их успешного использования является устойчивость к деградации, которую определяют ускоренным стресс-тестированием материалов. Созданы и широко применяются различные протоколы стресс-тестирования в лабораторных условиях. Однако они дают заметно отличающиеся друг от друга результаты.

Эту проблему решили ученые химфака ЮФУ, разработав и запатентовав свою методику стресс-тестирования в различных условиях. Младший научный сотрудник химфака Кирилл Паперж пояснил:

«За последнее десятилетие опубликованы различные исследования, в которых тестируются коммерческие катализаторы от компании Johnson Matthey. К сожалению, результаты у всех исследователей существенно различаются. Нам было важно подготовить исследование-методичку с поэтапными шагами для тестирования катализаторов, начиная от их структурно-морфологических особенностей и заканчивая их устойчивостью к деградации, используя все доступные нам ресурсы».

Учеными были применены методы просвечивающей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа, с помощью которых они изучили структуру и морфологию коммерческих и разработанных в ЮФУ катализаторов до и после стресс-тестирования.

В результате они сделали выводы о том, что в условиях тестирования в кислородной атмосфере материалы деградирую быстрее, чем в инертной (в атмосфере Ar). При этом стабильность была выше у тех материалов, у которых распределение наночастиц по поверхности носителя более равномерно.

Материалы исследования ученые ЮФУ представили в двух статьях: «Долговечность коммерческих катализаторов в рамках соответствующих протоколов стресс-тестирования», опубликованной в журнале «Catalysts» и «Влияние атмосферы AST на деградацию Pt/C электрокатализатора», опубликованной в журнале «Inorganics». AST — стресс-тестирование.

Эти статьи могут служить методическим пособием с поэтапными шагами для тестирования катализаторов, которое позволит не только правильно и корректно провести исследование, но и разобраться в особенностях каждого шага.

В представленных работах также дается сравнительная оценка стабильности полученного в ЮФУ материала и его наиболее популярного в мире аналога компании Johnson Matthey. Аттестацию этих материалов ученые провели по протоколу тестирования компании Toyota, который наиболее близок к работе реального водородо-воздушного топливного элемента.

«Наши исследования позволили также выявить наиболее вероятные механизмы деградации электрокатализаторов в зависимости от условий стресс-тестирования. Важно знать, какие это механизмы, для разработки способов их предотвращения. Таким образом, появляется возможность для направленного улучшения электрокатализаторов», — рассказал ведущий научный сотрудник химфака ЮФУ, соавтор статей Сергей Беленов.

Ведущий научный сотрудник химфака и соавтор статей Анастасия Алексеенко добавила: «Существует большое количество коммерческих катализаторов, и ученые во всем мире пытаются разработать новые материалы, которые будут удовлетворять выдвигаемые к ним требованиям. Например, по активности в реакции восстановления кислорода, по простоте и дешевизне технологии получения материалов с близкими электрохимическими параметрами коммерческим аналогам, а также по устойчивости к деградации. Поэтому, прежде чем начать разработки новых высокоэффективных катализаторов, необходимо тщательно исследовать уже существующие, коммерчески производимые аналоги!»

Катализаторы, разработанные по методике коллектива Химического факультета ЮФУ, уже производит малое инновационное предприятие ООО «Прометей РД», став первым и единственным предприятием в России, которое производит высокоэффективные отечественные электрокатализаторы для топливных элементов.

Совместно с этим предприятием ученые ЮФУ ведут исследования различных аспектов эксплуатации отечественных катализаторов, спрос на которые после санкций 2022 года значительно возрос.

«Чтобы рекомендовать катализатор к использованию в топливном элементе важно исследовать его начальные и конечные после тестирования характеристики в лаборатории и в ячейке. Известно, что материалы, демонстрирующие повышенные характеристики активности и стабильности в лабораторных условиях являются наиболее перспективными для более сложных и затратных ресурсных испытаний в мембранно-электродном блоке. На базе нашей лаборатории имеется комплекс оборудования как для экспресс-оценки характеристик электрокатализаторов, так и для тестирования в мембранно-электродном блоке», — отметила еще один соавтор — младший научный сотрудник химфака ЮФУ Елизавета Могучих.