Комплексный подход к исследованию электрокатализаторов для топливных элементов с протонообменной мембраной, позволяющий значительно сократить длительные эксперименты исследователей в данной области, разработали ученые Южного федерального университета (ЮФУ), сообщает 15 марта пресс-служба вуза.

Результатом работы коллектива стали новые катализаторы, обладающие большей активностью и устойчивостью к деградации, чем их импортные коммерческие аналоги.

Одними из основных компонентов топливных элементов являются электрокатализаторы, позволяющие преобразовывать химическую энергию в электрическую. При этом их функциональные характеристики в значительной мере определяются структурно-морфологическими параметрами — размером, формой и распределением наночастиц платины по поверхности углеродного носителя.

Высокая активность катализатора в реакции восстановления кислорода, как это было установлено экспериментально, достигается с наночастицами размером менее трех нанометров. Однако в этом случае электрокатализатор при его эксплуатации становится довольно неустойчив к деградации.

Чтобы избежать этого, в состав наночастиц вводят атомы меди. Они не только продлевают время эксплуатации катализатора, но и повышают его активность в реакции восстановления кислорода.

Молодые ученые студенческого научного объединения «Новые материалы для электрохимической энергетики» химфака ЮФУ выполнили работу, затрагивающую такой важный аспект, как тестирование материалов на устойчивость к деградации.

Полученные результаты они представили в статье «Комплексное исследование морфологии и электрохимического поведения электрокатализаторов ОВР на основе Pt в процессе стресс-тестирования», опубликованной в International Journal of Hydrogen Energy.

Катализаторы, созданные в ходе исследования, оказались не только более активны в реакции восстановления кислорода, но и минимум в два раза стабильнее при эксплуатации по сравнению с импортным коммерческим катализатором.

«Мы разработали и запатентовали новые способы получения электрокатализаторов с ультрамалым размером наночастиц, которые, к нашему удивлению, проявили повышенную устойчивость к деградации независимо от условий тестирования по сравнению с аналогами, содержащими больший размер частиц. Оказалось, что высокая равномерность пространственного распределения наночастиц способствует повышению стабильности материалов. Мы надеемся, что подобные технологии анализа и синтеза катализаторов ускорят внедрение топливных элементов в повседневную жизнь», — рассказала ведущий научный сотрудник Анастасия Алексеенко.

Тестирование катализаторов по двум актуальным протоколам министерства энергетики США и компании Toyota, производящей автомобили на топливных элементах, позволило оценить возможность применения электрокатализаторов в стационарных условиях работы топливного элемента, в том числе в качестве генератора энергии в доме или на производстве, а также в режиме включение-выключение, например, в беспилотных летательных аппаратах и автомобилях.

Синтезированные по запатентованной технологии электрокатализаторы оказались перспективными для использования как в стационарном режиме, так и в режиме включение-выключение.

«Итогом работы над нашим проектом является разработанный комплексный подход исследования морфологии и электрохимического поведения катализаторов и практические методические указания по проведению экспериментов. Это позволит значительно сократить длительные эксперименты исследователей. Полученная корреляция между морфологией и электрохимическим поведением катализаторов представляет собой ценные знания для ученых, ведущих разработки в области создания топливных элементов и электрокатализаторов», — указал младший научный сотрудник ЮФУ Кирилл Паперж.

Кандидат экономических наук, доцент кафедры менеджмента и инновационных технологий, старший научный сотрудник Института управления в экономических, экологических и социальных системах ЮФУ Екатерина Каплюк отметила: «Разработанные в лабораториях Химического факультета Южного федерального университета электрокатализаторы имеют высокий рыночный потенциал, что с одной стороны связано с широкими возможностями их применения — от беспилотных летательных аппаратов до автомобилей, а с другой объясняется общегосударственным курсом на импортозамещение и приобретение технологического суверенитета страны, ростом спроса на отечественные технологии и разработки».

Согласно данным аналитического портала Статистики внешней торговли России, в 2020 году крупнейшими странами, импортирующими наши катализаторы на носителях, содержащих в качестве активного компонента драгоценные металлы или их соединения, стали Германия (доля по стоимости 64,19%), Ливан (16,47%), Китай (14,42%), Белоруссия и Чехия — 4,92%.

По данным Международной организации автопроизводителей прогнозируется, что мировой рынок автомобильных катализаторов будет демонстрировать среднегодовой темп роста более 3% до 2026 года. В 2022 году импорт катализаторов в России составил $1,47 млн (110 млн руб.).

Уже сегодня разработанные в ЮФУ технологии синтеза используются в производстве электрокатализаторов в компании ООО «Прометей РД».

Ученые надеются, что разработанный ими комплексный подход исследования материалов будет полезен ученым, которые занимаются разработкой новых катализаторов для водородной энергетики.