Молодые учёные ЮФУ создали электрокатализаторы, превосходящие аналоги

Коллектив учёных из Южного федерального университета разработал комплексный подход к исследованию электрокатализаторов для топливных элементов с протонообменной мембраной, который позволит значительно сократить длительные эксперименты исследователей в данной области. Значимым результатом работы стали полученные катализаторы с большей активностью и устойчивостью к деградации по сравнению с импортным коммерческим катализатором.

Электрокатализатор является одним из основных компонентов топливных элементов, без которого их работа по преобразованию химической энергии в электрическую невозможна. Известно, что функциональные характеристики катализатора сильно зависят от его структурно-морфологических параметров, которые определяются размером, формой и распределением наночастиц платины по поверхности углеродного носителя. Для достижения высокой активности материала в реакции восстановления кислорода наночастицы зачастую должны иметь размер менее 3 нанометров. Однако электрокатализатор со столь малыми частицами довольно неустойчив к деградации при его эксплуатации. Поэтому в состав наночастиц вводятся атомы меди, которые позволяют не только повысить активность в реакции восстановления кислорода, но и продлить время эксплуатации катализатора.

Коллектив молодых учёных Студенческого научного объединения «Новые материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ провели исследование, которое затрагивает такой важный аспект, как тестирование материалов на их устойчивость к деградации.

Значимым результатом работы, опубликованной в журнале International Journal of Hydrogen Energy, являются полученные катализаторы. Материалы обладают не только большей активностью в реакции восстановления кислорода, но и минимум в 2 раза стабильнее при эксплуатации по сравнению с импортным коммерческим катализатором.

«Мы разработали и запатентовали новые способы получения электрокатализаторов с ультрамалым размером наночастиц, которые, к нашему удивлению, проявили повышенную устойчивость к деградации независимо от условий тестирования по сравнению с аналогами, содержащими больший размер частиц. Оказалось, что высокая равномерность пространственного распределения наночастиц способствует повышению стабильности материалов. Мы надеемся, что подобные технологии анализа и синтеза катализаторов ускорят внедрение топливных элементов в повседневную жизнь», – подытожила ведущий научный сотрудник Анастасия Алексеенко.

Тестирование катализаторов в двух актуальных протоколах Министерства энергетики США и компании-производителя автомобилей на топливных элементах Toyota позволило оценить возможность применения электрокатализаторов в стационарных условиях работы топливного элемента, например, в качестве генератора энергии в доме или на производстве, а также в режиме включение-выключение, например в беспилотных летательных аппаратах и автомобилях. Синтезированные по запатентованной технологии электрокатализаторы оказались перспективны для использования как в стационарном режиме, так и в режиме включение-выключение.

«Итогом работы над нашим проектом является разработанный комплексный подход исследования морфологии и электрохимического поведения катализаторов и практические методические указания по проведению экспериментов. Это позволит значительно сократить длительные эксперименты исследователей. Полученная корреляция между морфологией и электрохимическим поведением катализаторов представляет собой ценные знания для ученых, ведущих разработки в области создания топливных элементов и электрокатализаторов», – отметил младший научный сотрудник Кирилл Паперж.

Работа молодых ученых является как никогда актуальной сегодня – в период развития технологической независимости страны и импортозамещения. В первую очередь полученные катализаторы будут применятся в топливных элементах с протонообменной мембраной, которые могут быть применены в совершенно разных областях жизни человека: от портативных зарядных устройств и беспилотных летательных аппаратов до автомобилей и стационарных зарядных станций. Создавая высокоактивные и устойчивые к деградации катализаторы, возможно. Более того, их можно будет применять в «чистых» транспортных средствах нового поколения, что позволит ускорить внедрения водородной энергетики в повседневную жизнь.

«Разработанные в лабораториях Химического факультета Южного федерального университета электрокатализаторы имеют высокий рыночный потенциал, что с одной стороны связано с широкими возможностями их применения – от беспилотных летательных аппаратов до автомобилей, а с другой объясняется общегосударственным курсом на импортозамещение и приобретение технологического суверенитета страны, ростом спроса на отечественные технологии и разработки. По данным аналитического портала Статистики внешней торговли России крупнейшими странами в 2020 году, импортирующими наши катализаторы на носителях, содержащих в качестве активного компонента драгоценные металлы или их соединения российского производства стали Германия (доля по стоимости - 64,19%), Ливан (16,47%), Китай (14,42%), Беларусь и Чехия – 4,92%. Важно, что рынок постоянно растет и имеет высокий потенциал с позиции обеспечения потребностей промышленности отечественными катализаторами. Так, по данным Международной организации автопроизводителей прогнозируется, что мировой рынок автомобильных катализаторов будет демонстрировать среднегодовой темп роста более 3% в течение прогнозируемого периода до 2026 года. В 2022 году импорт катализаторов составил 1,47 миллионов долларов, что представляет дополнительную емкость внутреннего рынка, которую могут занять отечественные предприятия, что позволяет говорить о высоком потенциале рынка катализаторов как в текущий момент, так и в среднесрочной перспективе», – отметила кандидат экономических наук, доцент кафедры менеджмента и инновационных технологий, старший научный сотрудник Института управления в экономических, экологических и социальных системах ЮФУ Екатерина Каплюк.

Уже сегодня разработанные технологии синтеза активно интегрируются в коммерческое производство электрокатализаторов в компании ООО «Прометей РД». Авторы надеются, что подробно представленный ими комплексный подход исследования материалов станет своего рода пособием для ученых, занимающихся разработкой новых катализаторов для водородной энергетики.

Исследование проведено в рамках совместной работы коллективов Южного федерального и Кубанского государственного университетов по гранту Кубанского научного фонда (проект № 22-19-20101).