Синтез при комнатной температуре позволяет получить полые нанокупола катализатора, снижая стоимость топливных элементов
Упрощённая схема образования нанокатализаторов NiPt с полой куполообразной структурой Ni3Pt5 через восстановление борогидрида ультразвуком при комнатной температуре и атмосферном давлении.
Водородные топливные элементы, которые вырабатывают электроэнергию с высокой эффективностью и нулевыми выбросами парниковых газов, становятся все более привлекательной технологией для экологически чистой энергетики нового поколения. Однако их коммерциализация сталкивается с проблемами, связанными со снижением производительности при длительной эксплуатации и высокой стоимостью замены катализаторов.
Эти проблемы вызваны нестабильностью традиционных катализаторов, которые со временем подвержены растворению металлов и слипанию частиц, что снижает эффективность реакции. Поэтому разработка долговечных и высокоэффективных катализаторов, которые можно производить с низкими затратами, стала важной целью научных исследований.
Совместная исследовательская группа под руководством доктора Сон Чжон Ю из Центра водорода и топливных элементов Корейского института науки и технологий (KIST), профессора Дон Вон Чуна из POSTECH, профессора Енсу Янга из KAIST и профессора Ханеула Джина из Университета Донгук разработала новую каталитическую технологию, позволяющую синтезировать высокоактивные и долговечные катализаторы при комнатной температуре с использованием простого ультразвукового метода.
В разработанном катализаторе платина и никель расположены в виде наноразмерных куполов с полой структурой. Такая конструкция увеличивает площадь реакционной поверхности и минимизирует потери катализатора, что приводит к значительному повышению производительности.
Традиционно для создания таких точных наноструктур требовались сложные процессы при температурах свыше 600°C. Новый метод позволяет перестраивать атомы с помощью одноступенчатого ультразвукового процесса при комнатной температуре.
Исследователи использовали ультразвуковое устройство, аналогичное тем, что применяются для чистки очков, чтобы естественным образом направлять атомы металла в упорядоченные структуры. Это значительно упрощает производственный процесс и снижает затраты, при этом повышая активность и долговечность катализатора.
В ходе испытаний на полуэлементах, предназначенных для измерения каталитической активности, новый катализатор продемонстрировал массовую активность, примерно в семь раз превышающую активность коммерческих катализаторов. Даже в условиях практического использования в полных элементах он показал примерно в пять раз более высокую массовую активность.
При оценке долговечности, проведенной в соответствии с протоколами Министерства энергетики США (DOE), катализатор оставался стабильным более 42 000 часов, что более чем в 4,2 раза превышает срок службы доступных коммерческих катализаторов. Этот прорыв ожидается как способ сократить интервалы замены и затраты на техническое обслуживание крупномасштабных систем топливных элементов, используемых в грузовых автомобилях, автобусах, судах и электростанциях.
На долю катализаторов приходится более 30% от общей стоимости производства систем топливных элементов. Увеличение срока службы катализаторов и повышение их производительности значительно повышают экономическую эффективность водородных топливных элементов.
В настоящее время команда исследует различные комбинации переходных металлов для дальнейшего расширения технологии, а также проводит оценку уровня топливных элементов и демонстрационные исследования для применения в автомобилестроении.
Доктор Ю из KIST отметил: "Наш катализатор имеет уникальную куполообразную наноструктуру с точно расположенными атомами, что приводит к значительному повышению активности и долговечности. Поскольку процесс проходит при комнатной температуре, мы уверены, что эта технология может сыграть важную роль в продвижении коммерциализации водородных топливных элементов и достижении углеродной нейтральности".
