Они создали катализатор из сплава пяти металлов, который не теряет активность даже после 10 тысяч циклов работы, сообщили в пресс-службе Сколтеха.
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», — отметил 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», — добавил 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.
.jpg)
