Группа ученых Химического факультета ЮФУ выявила, 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.
Сегодня, в эпоху перехода на более экологичные технологии и развития
водородной энергетики, электрокатализаторы для водородо-воздушных
топливных элементов (ТЭ) имеют большую востребованность для
достижения и укрепления технологического суверенитета нашей страны.
Драйверами научно-технологического развития в первую очередь выступают
университеты и научно-технологические центры, в том числе участвуя в
федеральной программе «Приоритет-2030»(нацпроект «Наука и
университеты»), цель которой к 2030 году сформировать в России более 100
прогрессивных современных университетов — центров научно-
технологического и социально-экономического развития страны. Южный
федеральный университет является активным участником программы,
развивая такие направления, как создание биогибридных систем с участием
искусственного интеллекта и исследование новых наноматериалов.
Электрокатализаторы используются 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 РФ, которое производит высокоэффективные отечественные
электрокатализаторы для топливных элементов. Помимо этого, совместно с
предприятием ученые разрабатывают совместные 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 (No. 20-79-10211 и No. 21-79-00258).
Фото на обложке: коллектив Химического факультета ЮФУ
Центр общественных коммуникаций
Южного федерального университета
Нет комментариев