В современных условиях большое внимание уделяется развитию водородной энергетики, так как устройства, работающие на водородном топливе, обладают высокой производительностью преобразования энергии и не выбрасывают вредные вещества в окружающую среду. Основными токообразующими реакциями в водородо-воздушных топливных элементах являются: окисление водорода на аноде и восстановление кислорода на катоде. Таким образом, топливные элементы преобразуют химическую энергию непрерывно подающегося топлива в электричество. Однако протекание таких реакций невозможно без катализатора.

По словам ученых лабораторий «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» и «Новые материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ, наиболее популярным коммерчески используемым катализатором в топливных элементах сегодня являются наночастицы платины. Также известно, что электрокатализаторы на основе биметаллических наночастиц могут характеризоваться более высокой активностью в реакции восстановления кислорода по сравнению с чистой платиной. Поэтому ученые ЮФУ решили исследовать новый тип катализаторов на основе биметаллических наночастиц, содержащих платину и никель. В результате был разработан метод получения таких катализаторов, которые оказались более активными в реакции восстановления кислорода по сравнению с обычными катализаторами на основе чистой платины.

Рис.: Схематичная модель топливного элемента с протонообменной мембраной.

«Основной задачей нашего исследования является создание электрокатализаторов, проявляющих высокие функциональные характеристики, и перспективных для дальнейшего применения в топливных элементах. Мы попытались получить платино-никелевые наночастицы на поверхности углеродного носителя для дальнейшего исследования их каталитической активности в реакции восстановления кислорода (реакция на катоде топливного элемента). В данной работе представлено комплексное исследование таких материалов, благодаря чему подробно изучено влияние их микроструктуры на функциональные характеристики. Предпринятый нами подход позволил получить катализаторы, превосходящие по своим характеристикам импортный аналог. Считаю, что результаты данной работы имеют не только фундаментальное, но и прикладное значение», – прокомментировала ведущий научный сотрудник Анастасия Алексеенко.

Основной идеей исследования, результаты которого опубликованы в журнале «Energies»,  был синтез высокоэффективных биметаллических катализаторов с пониженным содержанием платины с помощью one-pot (однореакторного) метода, который мог бы быть простым и выгодным для коммерческого производства.

«В нашей работе был сделан упор на разработку простого однореакторного метода получения PtNi/C катализаторов, отличающихся повышенной активностью в реакции восстановления кислорода. Также мы показали, что кислотная постобработка улучшает функциональные характеристики биметаллических электрокатализаторов, повышая их активность в реакции восстановления кислорода в среднем в 2 раза. Таким образом, была разработана не только методика синтеза активных биметаллических катодных катализаторов, но и показана важность постобработки, как дополнительной стадии в синтезе PtNi/C электрокатализаторов», – подытожила магистр Екатерина Кожокарь.

Рис.: Сканирование НЧ в линию и элементное картирование PtNi/C электрокатализаторов

Проведенное исследование микроструктуры материалов методом просвечивающей электронной микроскопии на базе ЦКП «Высокоразрешенная электронная микроскопия» ЮФУ позволило доказать, что наночастицы являются биметаллическими, определить средний размер наночастиц и оценить распределение наночастиц по носителю.

Дальнейшее направление работы молодых ученых связано с оценкой стабильности полученных катализаторов в ускоренном стресс-тестировании и исследование поведения материалов в единичном топливном элементе.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания в сфере научной деятельности №FENW-2023-0016, а также в рамках внутреннего гранта ЮФУ для развития студенческих научных объединений.

Текст: Юлия Сопрунова