Об этом сообщила пресс-служба ЮФУ.
Контекст
Материал ориентирован на использование в низкотемпературных водородных топливных элементах (ТЭ). В его состав входят платина, палладий, медь, никель и кобальт. Но есть и другое применение.В нефтехимии многокомпонентные катализаторы применяют для риформинга, гидроочистки и конверсии углеводородов. Принцип тот же: сочетание металлов позволяет управлять селективностью и стабильностью, а также снижать долю дорогих компонентов.
По аналогии с керметами (типа Ni/YSZ), свойства определяются не только составом, но и микроструктурой: распределением фаз, границами зёрен, поверхностной сегрегацией - и всем этим можно управлять термической обработкой и методами синтеза.
Катализатор в ТЭ ускоряет две ключевые реакции: на аноде - окисление водорода (HOR) или спирта (MOR/EOR), и на катоде - восстановление кислорода (ORR) — самая медленная и критичная реакция, определяющая эффективность всего элемента. Платина - лучший монокатализатор для обеих реакций, но 30 долл США/г - дороговато будет. К тому же монокатализатор деградирует со временем (растворение, агломерация, отравление примесями CO).
Преимущества пятикомпонентного сплава:
- высокая стабильность и долговечность;
- активность почти в 4 раза выше платинового катализатора;
- сниженный расход драгоценных металлов;
- управляемая структура благодаря термообработке;
- равномерное распределение наночастиц по носителю.
Многокомпонентный катализатор
Химики ЮФУ разработали методику получения пятикомпонентных металлических наночастиц малого размера, равномерно распределенных по углеродному носителю.В качестве носителя использовалась высокодисперсная углеродная сажа с развитой пористой структурой XC‑72.
Многокомпонентные катализаторы в топливных элементах — это не просто смесь металлов, а инструмент управления электронным строением, морфологией и стабильностью активных центров. Подтверждено, что в пятиметаллическом Pt-Pd-Cu-Ni-Co катализаторе управляемая сегрегация (Pt на поверхности, Pd внутри) даёт одновременно рост активности и долговечности при снижении содержания платины.
Обычно катализаторы для топливных элементов изготавливают из платины - дорогого, но эффективного металла. Для удешевления ее смешивают с более доступными элементами. Однако при синтезе таких материалов часть металлов может оставаться в окисленном состоянии, а атомы распределяться неравномерно, поэтому требуется дополнительная термическая обработка.
Ученые впервые в реальном времени проследили за поведением наночастиц такого сплава при нагреве от 300 до 600°C.
Компьютерное моделирование, выполненное в Сколтехе, показало, что при нагреве до 600°C около 75% всех атомов платины оказывается в верхнем слое наночастиц, тогда как палладий перемещается вглубь. Благодаря этому после термообработки катализатор работает эффективнее, хотя его активная площадь несколько уменьшается из-за увеличения размера частиц.
Катализатор, обработанный при 350°C, после 10 тыс. циклов работы потерял 22% активности. У коммерческого платинового катализатора потери составили 40%. После длительных испытаний новый материал оказался в четыре раза активнее коммерческого аналога.
Разработанный катализатор может применяться в топливных элементах для автомобилей, стационарных электростанций и портативных устройств.
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда №25-79-20045. Результаты опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.
Официоз
Ведущий научный сотрудник химического факультета ЮФУ С. Беленов отметил, что стабильность катализаторов является ключевым фактором при создании высокоэффективных низкотемпературных топливных элементов. Получение таких сложных систем представляет не только фундаментальный научный интерес, но и демонстрирует перспективы коммерческого применения за счет высокой стабильности, например, для массового использования в автомобилях и станциях генерации энергии.Низкотемпературные топливные элементы с протонообменной мембраной работают при температурах до 100°C и рассматриваются как перспективный источник энергии для экологически чистого транспорта и распределенной генерации. Платина остается основным каталитическим металлом, однако ее высокая стоимость стимулирует поиск многокомпонентных сплавов с пониженным содержанием драгоценного металла.
Автор: А. Шевченко



































