Сегодня, в эпоху перехода на более экологичные технологии и развития водородной энергетики, электрокатализаторы для водородо-воздушных топливных элементов (ТЭ) имеют большую востребованность для достижения и укрепления технологического суверенитета нашей страны. Драйверами научно-технологического развития в первую очередь выступают университеты и научно-технологические центры, в том числе участвуя в федеральной программе «Приоритет-2030»(нацпроект «Наука и университеты»), цель которой к 2030 году сформировать в России более 100 прогрессивных современных университетов - центров научно-технологического и социально-экономического развития страны. Южный федеральный университет является активным участником программы, развивая такие направления, как создание биогибридных систем с участием искусственного интеллекта и исследование новых наноматериалов.

Электрокатализаторы используются в различных устройствах в качестве источника электроэнергии, в том числе в транспортных средствах без вредных выхлопов, портативных устройствах, например, в ноутбуках и смартфонах, стационарных энергетических системах, а также в некоторых промышленных процессах, таких как производство химических веществ и электролиз воды. Преимущество таких катализаторов – высокая эффективность, бесшумность, универсальность, дальний запас хода по сравнению с батареями, а также экологичность, поскольку единственным побочным продуктом их работы является вода.

Наиболее важной характеристикой катализаторов для успешного внедрения в любые технологии является их устойчивость к деградации, которая определяется с помощью ускоренного стресс-тестирования материалов. В разные годы были созданы различные протоколы стресс-тестирования в лабораторных условиях, которые применяются повсеместно. Однако, результаты у всех исследователей существенно различаются. В связи с этим, ученые Химического факультета ЮФУ представили свои итоги исследования структурно-морфологических и электрохимических параметров материалов после стресс-тестирования в различных условиях по запатентованной коллективом технологии.

«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. В частности, методы просвечивающей электронной микроскопии (ЦКП «Высокоразрешенная электронная микроскопия» ЮФУ) и рентгенофазового анализа (Химический факультет, ЮФУ), которые позволили изучить структуру и морфологию коммерческих и полученных нами катализаторов до и после стресс-тестирования», — отметил младший научный сотрудник Химического факультета ЮФУ Кирилл Паперж.

Так, по совокупности данных о морфологии и электрохимических характеристик катализаторов, они смогли сделать выводы о том, что материалы в условиях тестирования в кислородной атмосфере деградирую быстрее, чем в инертной (в атмосфере Ar). Более стабильными оказываются те, в которых распределение наночастиц по поверхности носителя является более равномерным. Плодом их работы стали две статьи, опубликованные в журналах «Catalysts» и «Inorganics», которые являются своего рода методическим пособием с поэтапными шагами для тестирования катализаторов.  Опираясь на данные работы можно не просто правильно и корректно воспроизвести исследование, но и понять особенности каждого шага, не читая более 30 статей об одном методе исследования, который делают в разных местах по-разному.

В работах также представлена сравнительная оценка стабильности полученного материала и наиболее известного мирового аналога от компании Johnson Matthey. Для аттестации материалов ученые использовали протокол тестирования, разработанный компанией Toyota, который является наиболее близким 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 Химического факультета ЮФУ Сергей Беленов.

Как поясняют исследователи, основными реакциями в водородо-воздушных топливных элементах являются окисления топлива водорода на аноде и восстановление кислорода до воды на катоде. Полученные в ходе реакции на аноде электроны движутся по внешней цепи к катоду, давая тем самым электрический ток. Данные реакции значительно ускоряются при использовании электрокатализаторов, представляющих из себя наночастицы платины, нанесенные на электропроводящую подложку. Способность долгое время поддерживать высокую скорость данных реакций в процессе эксплуатации топливного элемента является показателем устойчивости к деградации электрокатализаторов. Получение материалов, способных длительное время функционировать без изменения характеристик является актуальной задачей электрохимической энергетики. Сегодня электрокатализаторы создают как для коммерческих, так и научных целей. В мире и в России их производят такие известные компании, как зарубежные Johnson Matthey, TANAKA, Umicor, Pajarito Powder, BASF, Heraeus, Premetek и российская компания Прометей РД (Ростов-на-Дону, Россия).

«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!», – добавила ведущий научный сотрудник Химического факультета ЮФУ Анастасия Алексеенко.

На данном этапе катализаторы, разработанные по методике коллектива Химического факультета ЮФУ, производятся на малом инновационном предприятии ООО «Прометей РД». Это первое и пока еще единственное предприятие в РФ, которое производит высокоэффективные отечественные электрокатализаторы для топливных элементов. Помимо этого, совместно с предприятием ученые разрабатывают совместные исследования по изучению различных аспектов эксплуатации отечественных катализаторов, спрос на которые сегодня действительно большой. Особенно он возрос после санкций в 2022 году.

«Чтобы рекомендовать катализатор к использованию в топливном элементе важно исследовать его начальные и конечные после тестирования характеристики в лаборатории 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», – прокомментировала младший научный сотрудник Химического факультета ЮФУ Елизавета Могучих.

Исследование проведено в рамках работы коллектива Южного федерального университета по грантам РНФ (No. 20-79-10211 и No. 21-79-00258).

Текст: Юлия Сопрунова