Российские ученые увеличили активность катализатора топливных элементов в 5,5 раз
Ученые ЮФУ нашли способ удешевить и продлить срок службы топливных элементов. Исследование раскрывает ключевые факторы, влияющие на стабильность катализатора, и предлагает решение для создания более доступных и долговечных материалов.
Катализатор в топливном элементе работает как наноразмерный «координатор», ускоряющий химические реакции, в ходе которых и вырабатывается электричество. Без катализаторов процесс выработки электричества протекал бы слишком медленно для практического применения.
Исследователи лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» ЮФУ совершили значительный шаг в разработке топливных элементов с более высокими качественными показателями. В ходе комплексного изучения механизмов деградации биметаллических катализаторов на основе платины и меди ученые не только выявили ключевые факторы стабильности в условиях, приближенных к эксплуатационным, но и создали материал с рекордными характеристиками. Так, разработанный катализатор демонстрирует в 5,5 раз более высокую активность, чем у коммерческого аналога. При этом после 30 000 циклов тестирования материал сохранил 67% исходной эффективности, что соответствует мировым стандартам.
Ключом к успеху стало применение уникального метода IL-TEM [просвечивающей электронной микроскопии с идентичным расположением участков], реализованного на базе ЦКП ЮФУ «Высокоразрешенная электронная микроскопия» ведущим инженером Ильей Панковым. Это своеобразная «машина времени» для наномира, которая позволяет буквально увидеть, как изменяется каждая наночастица катализатора в процессе работы. Так, с помощью микроскопа JEOL JEM-F200 ученые получили данные о распределении наночастиц на углеродной подложке до и после электрохимических испытаний (Рисунок 1).
«В этой работе, в дополнение к методу IL-TEM, также была применена передовая технология «визуализации вторичных электронов» (Secondary Electron Imaging, SEI). Этот метод позволяет получить высоко детализированную картину поверхности и обнаружить даже минимальные морфологические изменения образца», – отметил ведущий инженер Илья Панков.
С помощью IL-TEM-метода ученые ЮФУ впервые детально проследили, как меняется микроструктура катализатора в процессе трех методик тестирования. Такой подход наглядно показал, что в разных условиях преобладают разные механизмы деградации. При этом средний размер наночастиц PtCu изменялся не более чем на 0,4 нм, что объясняет высокую стабильность материала (Рисунок 2).
«Мы провели сбор и анализ опубликованных исследований по теме применения IL-TEM подхода к оценке деградации сложных каталитических систем и выявили, что отсутствует систематизация данных. Исследователи используют различные условия тестирования, что затрудняет сопоставление полученных результатов между разными группами. Так же в работах используется не более двух методик тестирования для одного образца, что на наш взгляд, является недостаточным для аттестации характеристик каталитических систем», — отметила младший научный сотрудник Ангелина Павлец.
Почему это так важно? Современные топливные элементы сталкиваются с двумя ключевыми проблемами — высокой стоимостью платиновых катализаторов и их постепенной деградацией. Решение, предложенное командой ЮФУ, позволяет снизить содержание драгоценного металла за счет легирования медью и одновременно повысить долговечность каталитической системы.
Разработанный катализатор испытали в условиях, приближенных к реальным, с помощью трех различных методик ускоренных стресс-тестов, имитирующих реальные условия эксплуатации.
«Наиболее устойчивым материал оказался в стандартном каталитическом протоколе, соответствующий стационарной работе устройства, где основной механизм деградации — растворение наночастиц без последующего переосаждения», — уточнила младший научный сотрудник Елизавета Могучих.
Одним из соавторов публикации стала студентка химического факультета, лаборант-исследователь Яна Астравух, которая впервые приняла участие в таком масштабном исследовании:
«Для меня участие в этом проекте стало уникальной возможностью погрузиться в мир современных научных исследований, соединяющий электрохимические испытаний и просвечивающую электронную микроскопию – это совершенно новый уровень понимания процессов, происходящих на наноразмерном уровне».
Результаты исследования опубликованы в престижном международном журнале в области электрохимии Electrochimica Acta (Q1, импакт-фактор 6.6).
«Мы надеемся, что представленные нами результаты преобразования микроструктуры сложной каталитической системы будут способствовать развитию этой области и призовут ученых всесторонне изучать объекты, в том числе с применением нескольких методик тестирования в сочетании с оценкой одних и тех же локальных участков катализатора до и после испытаний», — подытожила ведущий научный сотрудник, руководитель лаборатории Анастасия Алексеенко.
Исследование выполнено в рамках проекта «Повышение долговечности электрокатализаторов для топливных элементов посредством направленной модификации углеродных носителей с учетом механизма деградации материалов в процессе их функционирования» Российского научного фонда выполняющегося в ЮФУ под руководством Алексеенко А.А. Проект направлен на выяснение динамики и механизмов реорганизации микроструктуры электрокатализаторов, происходящих в процессе их функционирования в различных условиях для определения причин деградации материалов и прогнозирования способов повышения их стабильности.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Нуклеосомы — основные «катушки» упаковки ДНК — почти всегда находятся в искаженном состоянии, а не в аккуратной и стабильной форме, как считалось десятилетиями. Именно через такие микроскопические изменения, как выяснили ученые, клетка регулирует работу генов — а значит, управляет развитием, реакцией на внешние раздражители и даже возникновением болезней.
Шведские биологи отследили миграцию обыкновенного соловья с помощью миниатюрных датчиков-рюкзаков. Как оказалось, при пересечении Сахары и Аравийской пустыни птицы летят только по ночам и не ищут пищу. Соловьи преодолевают пустыню без дозаправки, полагаясь лишь на накопленный заранее жир.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно