Ученые ЮФУ разработали электрокатализатор на 10 процентов эффективнее зарубежного аналога. При этом материал обладает в два раза большей эффективностью в реакции восстановления кислорода в лабораторной трехэлектродной ячейке, чем другие коммерческие электрокатализаторы.
Схематического представление процесса допирования углеродного носителя азотом с последующим получением на его основе электрокатализатора / © личный архив младшего научного сотрудника химического факультета ЮФУ Кирилла Папержа
В рамках Проектно-образовательного интенсива «Архипелаг 2024» в июле этого года состоялось открытие первого в России Водородного полигона на Сахалине, где представители науки, бизнеса и государства объединились для развития водородной энергетики. Группа ученых Химического факультета ЮФУ представила свои последние разработки в этой области.
Первый в России Водородный полигон, который располагается на Сахалине, станет площадкой для разработки и тестирования технологий по производству, хранению, транспортировке и использованию водорода. Одной из ключевых технологий является использование водородо-воздушных топливных элементов, где водород окисляется, а кислород восстанавливается на поверхности катализаторов, генерируя электричество. Для их эффективной работы необходимы высокоэффективные электрокатализаторы, разработкой которых занимаются ученые Южного федерального университета (ЮФУ).
Сотрудники лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ и лаборатории «Технологии синтеза каталитически активных материалов», открытой в рамках реализации программы развития ЮФУ «Приоритет 2030» представили свои новейшие разработки по получению высокоэффективного электрокатализатора на азотсодержащем носителе для водородо-воздушных топливных элементов.
Как заявляют ученые ЮФУ, их материал обладает в два раза большей эффективностью в реакции восстановления кислорода в лабораторной трехэлектродной ячейке, чем другие коммерческие материалы. А испытания в прототипе топливных элементов в составе мембранного электродного блока показывают, что полученный катализатор на 10 процентов эффективнее зарубежного аналога.
«Мы поставили перед собой цель – получить высокоактивный и стабильный отечественный электрокатализатор. Синтезированный материал представляет собой ультрамалые наночастицы платины на модифицированном азотом углеродном носителе. Такая комбинация после стресс-тестирования позволила повысить по сравнению с зарубежным аналогом не только начальные электрохимические параметры, но и конечные», – пояснил младший научный сотрудник Кирилл Паперж.
Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Carbon Trends (2Q). В работе подробно описано, как азотсодержащий углеродный носитель повышает функциональные характеристики электрокатализатора, делая его более устойчивым к деградации по сравнению с обычными углеродными материалами, такими как Ketjenblack EC-300 J.
«Очень неожиданными для нас оказались структурно-морфологические параметры катализатора! На снимках HAADF-STEM мы обнаружили 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, мы не смогли обнаружить отдельных атомов/кластеров металла.
Поэтому мы полагаем, что именно азот-допированный носитель позволяет получить на своей поверхности отдельные атомы и кластеры платины. Аналогичные явления описаны в литературе для материалов, содержащих не более четырех процентов драгоценного металла, когда как в нашем материале массовая доля Pt около 37», – прокомментировала стажер-исследователь Юлия Баян.
Дальнейшее направление работы ученых связано с поиском и апробацией технологии допирования азотом отечественных углеродных носителей, чтобы производить полностью отечественные электрокатализаторы. А также поиском путей расширения области применения, получаемых на основе азотсодержащих носителей.
«Наличие отдельных атомов/кластеров платины в Pt/C открывает перспективы для производства высокоэффективных катализаторов с пониженным содержанием драгоценного металла, а также возможность использования подобных материалов в других ключевых реакциях, например, в реакции выделения водорода на катоде электролизеров», – отметила ведущий научный специалист Анастасия Алексеенко.
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 ЮФУ для развития студенческих научных объединений и совместного с КубГУ РНФ гранта.
