В ЮФУ справились с деградацией катализаторов, необходимых для двигателей будущего и экологичных машин
Группа ученых химического факультета ЮФУ выявила причины того, почему некоторые электрокатализаторы деградируют и предложила методические рекомендации для тестирования их устойчивости. По словам специалистов, именно их структурно-морфологические особенности и устойчивость к деградации крайне важны для долгой эксплуатации топливных элементов.
Электрокатализаторы используют в различных устройствах в качестве источника электроэнергии, в том числе в транспортных средствах без вредных выхлопов, портативных устройствах, например, в ноутбуках и смартфонах, стационарных энергетических системах, а также в некоторых промышленных процессах, таких как производство химических веществ и электролиз воды.
Преимущество таких катализаторов – высокая эффективность, бесшумность, универсальность, дальний запас хода по сравнению с батареями, а также экологичность, поскольку единственным побочным продуктом их работы является вода.
Наиболее важной характеристикой катализаторов для успешного внедрения в любые технологии является их устойчивость к деградации, которая определяется с помощью ускоренного стресс-тестирования материалов. В разные годы были созданы различные протоколы стресс-тестирования в лабораторных условиях, которые применяются повсеместно. Однако, результаты у всех исследователей существенно различаются. В связи с этим, ученые химического факультета ЮФУ представили свои итоги исследования структурно-морфологических и электрохимических параметров материалов после стресс-тестирования в различных условиях по запатентованной коллективом технологии.
«За последнее десятилетие опубликованы различные исследования, в которых тестируются коммерческие катализаторы от компании Johnson Matthey. К сожалению, результаты у всех исследователей существенно различаются. Нам было важно подготовить исследование-методичку с поэтапными шагами для тестирования катализаторов, начиная от их структурно-морфологических особенностей и заканчивая их устойчивостью к деградации, используя все доступные нам ресурсы.
В частности, методы просвечивающей электронной микроскопии (ЦКП «Высокоразрешенная электронная микроскопия» ЮФУ) и рентгенофазового анализа (химический факультет, ЮФУ), которые позволили изучить структуру и морфологию коммерческих и полученных нами катализаторов до и после стресс-тестирования», — отметил младший научный сотрудник химического факультета ЮФУ Кирилл Паперж.
Так, по совокупности данных о морфологии и электрохимических характеристик катализаторов, они смогли сделать выводы о том, что материалы в условиях тестирования в кислородной атмосфере деградирую быстрее, чем в инертной (в атмосфере Ar). Более стабильными оказываются те, в которых распределение наночастиц по поверхности носителя является более равномерным.
Плодом их работы стали две статьи, опубликованные в журналах Catalysts и Inorganics, которые являются своего рода методическим пособием с поэтапными шагами для тестирования катализаторов. Опираясь на данные работы можно не просто правильно и корректно воспроизвести исследование, но и понять особенности каждого шага, не читая более 30 статей об одном методе исследования, который делают в разных местах по-разному.
В работах также представлена сравнительная оценка стабильности полученного материала и наиболее известного мирового аналога от компании Johnson Matthey. Для аттестации материалов ученые использовали протокол тестирования, разработанный компанией Toyota, который является наиболее близким к работе реального водородо-воздушного топливного элемента.
«Наши исследования позволили также выявить наиболее вероятные механизмы деградации электрокатализаторов в зависимости от условий стресс-тестирования. Важно знать, какие это механизмы для разработки способов их предотвращения. Таким образом, появляется возможность для направленного улучшения электрокатализаторов», – рассказал ведущий научный сотрудник химического факультета ЮФУ Сергей Беленов.
Как поясняют исследователи, основными реакциями в водородо-воздушных топливных элементах являются окисления топлива водорода на аноде и восстановление кислорода до воды на катоде. Полученные в ходе реакции на аноде электроны движутся по внешней цепи к катоду, давая тем самым электрический ток. Данные реакции значительно ускоряются при использовании электрокатализаторов, представляющих из себя наночастицы платины, нанесенные на электропроводящую подложку.
Способность долгое время поддерживать высокую скорость данных реакций в процессе эксплуатации топливного элемента является показателем устойчивости к деградации электрокатализаторов. Получение материалов, способных длительное время функционировать без изменения характеристик является актуальной задачей электрохимической энергетики. Сегодня электрокатализаторы создают как для коммерческих, так и научных целей. В мире и в России их производят такие известные компании, как зарубежные Johnson Matthey, TANAKA, Umicor, Pajarito Powder, BASF, Heraeus, Premetek и российская компания Прометей РД (Ростов-на-Дону, Россия).
«Существует большое количество коммерческих катализаторов, и ученые во всем мире пытаются разработать новые материалы, которые будут удовлетворять выдвигаемые к ним требованиям. Например, по активности в реакции восстановления кислорода, по простоте и дешевизне технологии получения материалов с близкими электрохимическими параметрами коммерческим аналогам, а также по устойчивости к деградации. Поэтому, прежде чем начать разработки новых высокоэффективных катализаторов, необходимо тщательно исследовать уже существующие, коммерчески производимые аналоги!», – добавила ведущий научный сотрудник химического факультета ЮФУ Анастасия Алексеенко.
На данном этапе катализаторы, разработанные по методике коллектива химического факультета ЮФУ, производятся на малом инновационном предприятии ООО «Прометей РД». Это первое и пока еще единственное предприятие в России, которое производит высокоэффективные отечественные электрокатализаторы для топливных элементов. Помимо этого, совместно с предприятием ученые разрабатывают исследования по изучению различных аспектов эксплуатации отечественных катализаторов, спрос на которые сегодня действительно большой. Особенно он возрос после санкций в 2022 году.
«Чтобы рекомендовать катализатор к использованию в топливном элементе важно исследовать его начальные и конечные после тестирования характеристики в лаборатории в ячейке. Известно, что материалы демонстрирующие повышенные характеристики активности и стабильности в лабораторных условиях являются наиболее перспективными для более сложных и затратных ресурсных испытаний в мембранно-электродном блоке. На базе нашей лаборатории имеется комплекс оборудования как для экспресс-оценки характеристик электрокатализаторов, так и для тестирования в мембранно-электродном блоке», – прокомментировала младший научный сотрудник химического факультета ЮФУ Елизавета Могучих. Исследование проведено в рамках работы коллектива Южного федерального университета по грантам РНФ.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
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