Значительно повысить характеристики водородно-воздушных топливных элементов помогут результаты ученых Южного федерального университета ( ЮФУ), разработавших новый подход к синтезу электрокатализаторов. По словам авторов, повышение активности и стабильности катализаторов серьезно улучшит энергоэффективность и время работы электромобилей, беспилотников и другой техники на водородном топливе. Статья опубликована в журнале International Journal of Hydrogen Energy.
Электрокатализаторы – важнейшие компоненты современных водородно-воздушных топливных элементов, активно внедряемых в авиационную, автомобильную и другую подвижную технику. Как объяснили ученые ЮФУ, эти материалы состоят из сотен миллиардов металлических наночастиц, закрепленных на поверхности частиц углерода.
Наиболее перспективный тип катализаторов – биметаллические системы на основе платины, сообщили исследователи. Развитие технологий их получения позволит производить низкотемпературные водородно-воздушные топливные элементы, отличающиеся высокой энергоемкостью и мощностью, экологичностью, а также отсутствием шума и вибрации при работе.
Внутри топливных элементов на поверхности частиц платины происходят реакции окисления водорода и восстановления кислорода, обеспечивающие выработку электроэнергии. От эффективности катализатора зависит какое количество водорода и кислорода вступает в реакцию за единицу времени и, соответственно, какими будут мощностно-энергетические характеристики всего топливного элемента. Существующие методы производства катализаторов, по словам ученых, далеки от оптимальных: размер и равномерность распределения металлических наночастиц не удается контролировать с необходимой точностью, отчего сильно страдает качество. Исследователи ЮФУ нашли новый подход к решению этой задачи, который, по их словам, позволит в несколько раз повысить эффективность и стабильность новых каталитических систем по сравнению с используемыми в настоящее время платиноуглеродными материалами. "Идея в том, чтобы вместо одновременного осаждения платины и дополнительного металла – в нашем случае меди – сначала равномерно разместить на углероде часть платины, а лишь затем совместно осаждать атомы меди и платины. В такой ситуации первые ультрамелкие наночастицы платины служат центрами, на которых затем формируются каталитически активные биметаллические частицы. Благодаря влиянию второго компонента и равномерному распределению по поверхности углеродного носителя такие наночастицы будут иметь большую площадь поверхности и более высокую активность в электрохимических реакциях", – рассказал профессор химического факультета ЮФУ Владимир Гутерман. Специалисты университета синтезировали новым методом катализаторы, значительно превосходящие коммерческие аналоги. По результатам лабораторных испытаний у лучшего из полученных образцов активность в реакции электровосстановления кислорода оказалась выше в четыре раза, чем у рыночного аналога, сообщили авторы работы. При этом стабильность, определяющая срок службы катализаторов, оказалась выше в шесть-восемь раз.
"Вместо одновременной сборки биметаллических наночастиц из атомов разных металлов мы "строим" их в несколько последовательных шагов. Это позволяет точнее управлять микроструктурой материала, варьируя условия монтажа частиц на каждом из шагов", – отметил Владимир Гутерман.
Для производства новых катализаторов ученые применяли методы жидкофазного синтеза. Работа является частью широкой программы исследований в области разработки новых электрокатализаторов, которые проводятся в лаборатории "Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики" ЮФУ.
Индустриальным партнером проекта выступает компания ООО "Прометей-РД". В дальнейшем научный коллектив намерен совершенствовать предложенный метод, подготовив технологию для масштабного промышленного применения. | 
