Учёные ЮФУ предложили способ повышения активности катализаторов для водородо-воздушных топливных элементов

Проведённое исследование посвящено созданию наноструктурных биметаллических катализаторов, существенно превосходящих платиноуглеродные аналоги по активности в реакции электровосстановления кислорода (РВК). В работе установлено, что значение диапазона потенциалов, в котором производится вольтамперометрическая активация электродов, оказывает существенное влияние на активность катализаторов в РВК.

Наноструктурные платиносодержащие электрокатализаторы являются одними из важнейших компонентов топливных элементов с протонообменной мембранной. Они обеспечивают высокую скорость протекания реакций электроокисления водорода и электровосстановления кислорода.

«Снижение содержания дорогостоящей платины в катализаторах, повышение их активности в реакции электровосстановления кислорода – это ключевые проблемы, решение которых необходимо для широкого использования топливных элементов с протонообменной мембраной в самых разнообразных устройствах. Одним из путей улучшения функциональных характеристик катализаторов является легирование платины менее благородным металлами, такими как никель, кобальт, медь», - отметил ведущий научный сотрудник лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ Сергей Беленов.

Важной особенностью биметаллических катализаторов, содержащих d-металл, является недостаточная термодинамическая стабильность легирующего компонента и, как следствие, его частичное растворение в процессе работы топливного элемента.

«Наиболее интенсивное растворение легирующего компонента, как правило, происходит на стадии первичной электрохимической активации катализаторов. В опубликованной нами работе показано, как стадия активации влияет на структурно-морфологические характеристики и активность биметаллических катализаторов. Изменяя диапазон потенциалов на стадии активации электродов возможно существенно (более чем в два раза) повысить активность катализаторов в реакции восстановления кислорода», - добавила младший научный сотрудник лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ Ангелина Павлец.

«Важный аспект новизны и оригинальности проведенного нами исследования заключается в изучении особенностей электрохимической активации реальных электрокатализаторов, содержащих малоразмерные (3–5 нм) биметаллические наночастицы. Ранее подобные исследования были проведены только для единичных крупных наночастиц (более 10 нм), существенно отличающихся по своим термодинамическим характеристикам. Катализаторы на основе таких наночастиц вряд ли пригодны для использования в топливных элементах. Кроме того, мы предложили новый метод оценки изменения каталитической активности биметаллических материалов электрохимическим методом, позволяющим зафиксировать условия критического изменения микроструктуры катализаторов», - отметила ведущий научный сотрудник Анастасия Алексеенко.

«Большинство исследователей пытается улучшить характеристики электрокатализаторов, оптимизируя состав и архитектуру биметаллических наночастиц. Мы же, возможно впервые, показали, что правильный выбор условий предварительной активации позволяет почти в 2 раза повысить активность одних и тех же катализаторов. Отмечу, что фундаментальное по своей сути исследование, позволяет по-новому посмотреть на пути решения некоторых прикладных вопросов», – рассказал главный научный сотрудник Владимир Гутерман.

Изучение микроструктуры электрокатализаторов было проведено к.х.н., младшим научным сотрудником ЦКП «Высокоразрешенная электронная микроскопия» Ильёй Панковым. Благодаря наличию в ЮФУ просвечивающего электронного микроскопа нового поколения JEOL JEM-F200, закупленного в рамках нацпроекта «Наука и университеты», были получены высококачественные изображения участков поверхности катализаторов, изучены карты распределения отдельных элементов по их поверхности, в том числе в отдельных наночастицах.

Результаты исследования учёных опубликованы в журнале Applied Surface Science, входящем в топ-10 мировых журналов в области материаловедения.

Исследование проведено в рамках проекта Российского научного фонда № 20–79–10211 «Влияние эволюции состава/структуры биметаллических наночастиц на каталитическую активность», выполняемого под руководством Сергея Беленова.

Коллектив лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики», организованной и возглавляемой Владимиром Гутерманом с 2007 года, успешно продолжает исследования в области создания высокоэффективных материалов для водородной энергетики.