Фото: соавторы исследования, сотрудники ЮФУ (слева направо: Астравух Яна, Панков Илья, Павлец Ангелина, Алексеенко Анастасия, Могучих Елизавета)
Новое исследование показывает важные факторы, которые влияют на надежность катализаторов, и предлагает способы создания более доступных и долговечных материалов.
Катализатор в топливных элементах — это очень маленький «ускоритель», который помогает быстро превращать химические реакции в электричество. Без него процесс производства электричества был бы слишком медленным, поэтому он очень важен для работы устройств.
Учёные из лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Южного федерального университета сделали большой шаг вперёд в разработке топливных элементов с лучшими характеристиками. Исследуя, почему катализаторы на основе платины и меди теряют свои свойства со временем, они выявили основные причины снижения их стабильности в условиях, похожих на реальные.
Кроме того, учёные создали новый материал, который показывает рекордные результаты. Этот катализатор в 5,5 раз активнее обычных коммерческих аналогов. После прохождения 30 000 тестовых циклов он всё ещё сохранял 67% своей первоначальной эффективности, что соответствует мировым стандартам надежности.
Ключ к успеху — это особый метод IL-TEM, который на базе ЦКП ЮФУ разработал инженер Илья Панков. Этот метод похож на «машину времени» для очень маленького мира — наночастиц, потому что с его помощью можно видеть, как меняются частицы во время работы. Представьте, что у ученых есть специальный микроскоп JEOL JEM-F200, который показывает, как выглядят наночастицы на поверхности еще до и после испытаний. Также использовалась еще одна технология — SEI, она помогает хорошо разглядеть любые мелкие изменения на поверхности образцов. Всё это помогает понять, как работают катализаторы и как их свойства меняются, что важно для создания лучших материалов.
Учёные из ЮФУ впервые использовали метод IL-TEM (инверсионная лазерная трансмиссионная электронная микроскопия), чтобы подробно проследить, как меняется внутренняя структура катализатора во время его тестирования. Этот подход показал, что в разных условиях происходят разные виды разрушения и деградации материала. При этом размер наночастиц металла PtCu увеличился всего на 0,4 нанометра, что говорит о высокой его долговечности и стабильности.
Также ученые заметили, что в научных исследованиях по этой теме очень разнится подход к экспериментам. Многие используют разные условия тестирования, из-за чего трудно сравнивать результаты между разными группами ученых. Более того, большинство работ используют всего одну или две методики проверки, что недостаточно для полноценной оценки характеристик катализаторов. Поэтому команда ЮФУ считает важным стандартизировать эти исследования, чтобы получать более точную и сравнимую информацию.
Почему это так важно? Современные топливные элементы сталкиваются с двумя основными проблемами — высокой стоимостью платиновых катализаторов и их постепенной деградацией. Предложенное командой ЮФУ решение позволяет уменьшить содержание драгоценных металлов за счет легирования меди и одновременно повысить долговечность катализатора.
Разработанный катализатор был испытан в условиях, максимально приближенных к реальным, с использованием трех различных методов, ускоренных стресс-тестов, имитирующих реальные эксплуатационные ситуации.
«Самым устойчивым материалом оказался тот, который показал наилучшую стабильность в стандартном каталитическом протоколе, соответствующем стационарной работе устройства. В этом случае главный механизм деградации — растворение наночастиц без их последующего переосаждения», — отметила младший научный сотрудник Елизавета Могучих.
Одна из соавторов этой статьи — студентка химического факультета, лаборант-исследователь Яна Астравух. Это был её первый опыт участия в таком крупном научном проекте. Она рассказала: «Для меня это была уникальная возможность погрузиться в мир современных исследований, где сочетаются электрохимические испытания и электронная микроскопия. Это совсем иной уровень понимания процессов, происходящих на наноразмере».
Результаты работы опубликованы в престижном международном журнале по электрохимии Electrochimica Acta (Q1, импакт-фактор 6.6).
«Мы надеемся, что наши выводы по изменению внутренней структуры катализаторов помогут развитию этой сферы. Ученым стоит исследовать такие объекты более подробно, используя разные методики, чтобы лучше понять их до и после нагрузок», — подчеркнула руководитель лаборатории Анастасия Алексеенко.
Исследование проводилось в рамках проекта №24-79-10162 Российского научного фонда, который реализуется на Южном федеральном университете под руководством Анастасии Алексеенко.
Этот проект направлен на изучение того, как меняется внутренняя структура электрокатализаторов во время работы и почему они со временем теряют свои свойства. Цель — понять причины разрушения материалов и найти способы сделать их более долговечными и устойчивыми в условиях эксплуатации.