Катализаторы для топливных элементов изготавливают из платины — самого эффективного, но и самого дорогого металла. Чтобы снизить стоимость, платину смешивают с другими, более доступными металлами. В новом исследовании использован сплав из пяти компонентов: платины, палладия, меди, никеля и кобальта. Химики из Южного федерального университета предложили простой и технологичный способ синтеза пятикомпонентных металлических наночастиц малого размера, равномерно распределенных по поверхности углеродного носителя. 

Однако при синтезе такие материалы часто получаются неоднородными: часть металлов остаётся в окисленном состоянии, а атомы распределены неравномерно. Чтобы исправить это, материал подвергают термической обработке. Учёные впервые проследили в реальном времени, что происходит с наночастицами сплава при нагреве от 300 до 600°C. При разных температурах наблюдались разные эффекты, меняющие микроструктуру и электрохимическое поведение катализатора. Так, при температурах выше 400 °C сплав начинает перестраиваться, а его поверхность обогащается платиной. Именно платина отвечает за скорость реакции, поэтому такое обогащение повышает эффективность катализатора.

Исследователи Сколтеха провели компьютерное моделирование, которое показало, что платина действительно собирается на поверхности наночастиц: при нагреве до 600 °C около 75% всех атомов платины оказывается в самом верхнем слое. При этом палладий, напротив, уходит вглубь частицы. По этой причине после термообработки катализатор работает лучше, хотя его активная площадь немного уменьшается из-за роста размера частиц.

Выявленные тенденции позволили получить новый материал с превосходными электрохимическими характеристиками. Катализатор, обработанный при 350 °C, показал исключительную стабильность: после 10 000 циклов работы его активность снизилась лишь на 22%, тогда как у коммерческого платинового катализатора потери составили 40%. Более того, после длительных испытаний новый катализатор оказался в четыре раза активнее коммерческого аналога.

«Стабильность катализаторов является ключевым фактором при создании высокоэффективных низкотемпературных топливных элементов. Было показано, что получение таких сложных систем представляет не только фундаментальный научный интерес, но и демонстрирует перспективы коммерческого применения за счет высокой стабильности, например, для массового использования в автомобилях и станциях генерации энергии», – отмечает Сергей Беленов, ведущий научный сотрудник химического факультета ЮФУ.

Разработанный катализатор может найти применение в топливных элементах для автомобилей, стационарных электростанций и портативных устройств. 

«Сочетание экспериментальных методов и компьютерного моделирования помогло нам понять, как именно атомы разных металлов перераспределяются внутри наночастиц при нагреве. Мы показали, что можно управлять этим процессом и получать материалы с заранее заданными свойствами. Это важный шаг к созданию более доступных и долговечных топливных элементов», — добавляет Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Центра технологий материалов Сколтеха и соавтор работы.

Работа опубликована в журнале Journal of Alloys and Compounds и выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 25–79–20045.

*****

Южный федеральный университет — один из крупнейших исследовательских университетов России, ведущий свою историю с 1915 года. Сегодня ЮФУ — это исследовательская сила юга России, университет без границ между городами, дисциплинами, поколениями, наукой и практикой. Объединяя классические академические традиции Ростова-на-Дону и передовые инженерные школы Таганрога, ЮФУ создает среду для междисциплинарных исследований и индивидуальных образовательных траекторий.

ЮФУ, являясь участником программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»), концентрирует усилия на решении задач научно-технологического развития страны. В рамках этой работы университет на основе сетевой архитектуры взаимодействия создает производственно-технологические цепочки полного цикла для ответа на «большие вызовы». Ключевые направления развития охватывают ряд критических и сквозных технологий, которые лежат в основе трех стратегических технологических проектов вуза: «Технологии биоинженерии почв», «Технологии многофункциональной микроэлектроники и интеллектуальной сенсорики для биогибридных и киберфизических систем» и «Технологии ускоренной разработки и трансфера стратегически важных материалов в микро- и малотоннажное производство». Кроме того, в рамках реализации программы «Приоритет‑2030» в университете работает профильная лаборатория химиков «Технологии синтеза каталитически активных материалов», а также по отдельному государственному заданию по теме «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» — это обеспечивает прямую связь фундаментальных разработок с актуальными запросами энергетического сектора.

Также ЮФУ участвует в программе «Передовые инженерные школы», реализуя на своей базе ПИШ ЮФУ «Инженерия киберплатформ», входящей в ТОП-6 инженерных школ страны.

Сайт: https://sfedu.ru/

Сколтех — негосударственный международный университет (входит в группу ВЭБ.РФ), который готовит новое поколение лидеров в области технологий, науки и бизнеса. Функционируя как фабрика технологий, институт на протяжении 15 лет проводит передовые исследования по приоритетным направлениям научно-технологической повестки, а также содействует внедрению технологий и развитию предпринимательства. В институте работают центры по направлениям искусственного интеллекта, наук о жизни и агротехнологий, современной инженерии и перспективных материалов, энергоэффективности и энергоперехода, телекоммуникаций и фотоники, перспективных исследований. Основанный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, Сколтех дважды вошёл в топ-100 лучших молодых университетов мира престижного рейтинга Nature Index. Сайт: https://www.skoltech.ru/.

Текст: Юлия Сопрунова