Наука и водородная энергетика: как Анастасия Алексеенко помогает планете

Исследования ведущего научного сотрудника и руководителя лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ Анастасии Алексеенко связаны с разработкой нового «зеленого» метода синтеза высокоэффективных катализаторов для топливных элементов без использования агрессивных химических реагентов и отсутствия отходов в процессе производства.

В Южном федеральном университете активно развиваются научные направления, связанные с «зелёной» энергетикой. Зелёная, или же альтернативная возобновляемая энергетика — это перспективные способы получения, передачи и использования энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за умеренной стоимости и низкого риска вреда окружающей среде.

По мнению учёных, переход на альтернативную энергетику, в частности замена двигателя внутреннего сгорания на водородный топливный элемент в автомобилях позволит существенно снизить загрязнения окружающей среды, за счет отсутствия выхлопных газов.

Исследовательская деятельность Анастасии Алексеенко как раз направлена на решение этих проблем и связана с созданием наноструктурных платиносодержащих катализаторов нового поколения, которые являются сердцем каждого водородо-воздушного топливного элемента и преобразуют химическую энергию топлива в электрическую. Важно, чтобы такие материалы сочетали высокие функциональные характеристики и минимальное содержание дорогостоящей платины.

Результаты работы молодой учёной представлены свыше 35 научными статьями в индексируемых журналах первого и второго квартиля, и отмечены рядом премий и стипендий. Так, в 2022 году Анастасии была присуждена Премия Правительства Ростовской области 100 молодым ученым ЮФУ, а в 2021 году работа была поддержана грантом Российского научного фонда и Стипендией Президента.

Помимо этого, Анастасия Алексеенко успешно руководит лабораторией «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ. Под ее началом молодые ученые работают над новыми открытиями и решениями в сфере водородной энергетики, разрабатывают современные методы получения высокоэффективных катализаторов, анализируют состав, морфологию и функциональные характеристики полученных материалов. Проводимые исследования выполняются на международном уровне и вносят вклад в развитие современной электрохимии, материаловедения и водородной энергетики.

Так, в последней работе коллектив молодых учёных лаборатории рассмотрел особенности изменения структуры катализаторов с различной архитектурой наночастиц под воздействием разных типов предварительной обработки. К слову, сейчас большое распространение получили катализаторы на основе платины, легированные различными d-металлами, такими как медь, кобальт, никель и т. д. Однако в процессе работы топливного элемента происходит растворение d-металлов, что в свою очередь снижает токовые характеристики топливного элемента и, как следствие, длительность его работы.

Учёные пришли к выводу, что химическая или электрохимическая активация биметаллических катализаторов оказывает существенное влияние на их состав, микроструктуру и каталитическую активность в реакции восстановления кислорода.

«По сравнению с обработкой в различных кислотах, электрохимическая активация биметаллических катализаторов на основе платины оказывает большее влияние на активность в реакции электровосстановления кислорода. Стадию электрохимической активации рекомендуется использовать в качестве обязательной предобработки катализаторов для получения высокоактивных материалов», – отметила ведущий научный сотрудник Анастасия Алексеенко.

В рамках исследования специалисты также дали рекомендации по термической обработке катализаторов, улучшенными d-металлами. По словам ведущего научного сотрудника Сергея Беленова, условия термической обработки напрямую зависят от природы легирующего компонента. Так, для обработки катализаторов PtCo/C предпочтительнее более высокие температуры (≥700 ˚C), в отличие от материалов PtNi/C, для которых не рекомендуется использовать температуры обработки выше 300 ˚C из-за сегрегации легирующего металла.

Одним из перспективных видов предварительной обработки катализаторов является сочетание кислотной и термической обработки. Как отмечает младший научный сотрудник Алина Невельская, различные сочетания этих двух типов предобработки в свою очередь могут значительно повысить активность и стабильность материалов.

«Данная работа представляет большой интерес для учёных, работающих как в области водородной энергетики, так и материаловедения, так как освещает разные аспекты формирования различных типов структур наночастиц, от чего напрямую зависят характеристики электрокатализаторов», – отметила младший научный сотрудник Ангелина Павлец.

Выводы учёных станут подспорьем для дальнейших исследований в области улучшения функциональных характеристик платиносодержащих катализаторов. Результаты работы, проведенной в рамках проекта Российского научного фонда № 20-79-10211 «Влияние эволюции состава/структуры биметаллических наночастиц на каталитическую активность» под руководством ведущего научного сотрудника лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ Сергея Беленова опубликованы в журнале Catalysts.