Разработан новый высокоэффективный электрокатализатор для водородного топлива

Ученые Южного федерального университета разработали электрокатализатор на 10% эффективнее зарубежного аналога. При этом материал обладает в два раза большей эффективностью реакции восстановления кислорода в лабораторной трехэлектродной ячейке, чем другие коммерческие электрокатализаторы.
В рамках проектно-образовательного интенсива "Архипелаг 2024" в июле 2024 года состоялось открытие первого в России водородного полигона на Сахалине, где представители науки и бизнеса объединились для развития водородной энергетики. Группа ученых химического факультета Южного федерального университета представила свои последние разработки в этой области.
Первый в России водородный полигон, который располагается на Сахалине, станет площадкой для разработки и тестирования методов производства, хранения, транспортировки и использования водорода. Одной из ключевых технологий являются водородо-воздушные топливные элементы, где водород окисляется, а кислород восстанавливается на поверхности катализаторов, генерируя электричество. Для их эффективной работы необходимы эффективные электрокатализаторы, разработкой которых занимаются ученые Южного федерального университета.
Сотрудники лаборатории "Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики" химического факультета Южного федерального университета и лаборатории "Технологии синтеза каталитически активных материалов", открытой в рамках реализации программы "Приоритет 2030", представили свои новейшие разработки по получению высокоэффективного электрокатализатора на азотсодержащем носителе для водородо-воздушных топливных элементов.
Как заявляют ученые, их решение обладает в два раза большей эффективностью реакции восстановления кислорода в лабораторной трехэлектродной ячейке, чем другие коммерческие материалы, а испытания прототипа топливных элементов в составе мембранного электродного блока показывают, что полученный катализатор на 10% эффективнее зарубежного аналога.
Синтезированный материал представляет собой ультрамалые наночастицы платины на модифицированном азотом углеродном носителе. Такая комбинация после стресс-тестирования позволила повысить не только начальные электрохимические параметры, но и конечные. Азотсодержащий углеродный носитель улучшает функциональные характеристики электрокатализатора, делая его более устойчивым к деградации, если сравнивать с обычными углеродными материалами, такими как Ketjenblack EC-300 J.
На снимках HAADF-STEM удалось обнаружить не только наночастицы платины, но и расположенные между ними ее атомы и кластеры. Проведя синтез катализатора с использованием углеродного носителя, не содержащего группы азота, и изучив его в HAADF-STEM режиме, ученые не смогли найти отдельных атомов/кластеров металла. Поэтому можно сделать вывод, что именно азот-допированный носитель позволяет получить на своей поверхности отдельные атомы и кластеры платины.
Дальнейшее направление работы ученых связано с апробацией технологии допирования азотом углеродных носителей, чтобы производить полностью отечественные электрокатализаторы. Также продолжается поиск путей расширения области применения данного решения.
Наличие отдельных атомов и кластеров платины открывает перспективы для производства высокоэффективных катализаторов с пониженным содержанием драгоценного металла, а также дает возможность использования подобных материалов в других ключевых реакциях, включая выделение водорода на катоде электролизера.
Эти разработки демонстрируют большой потенциал для создания инновационных и экономически эффективных решений в области водородной энергетики и других смежных технологий. Выполнение работы является частью запланированных задач внутреннего гранта Южного федерального университета для развития студенческих научных объединений.