Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC), которые разрабатываются для использования в электромобилях, полагаются на наночастицы, называемые катализаторами, для запуска реакций между водородом и кислородом, производящих электричество. Большинство катализаторов PEMFC содержат платину — дефицитный и драгоценный металл. Поэтому существует острая глобальная потребность в разработке катализаторов, которые могут генерировать наибольшую мощность при минимальном содержании платины.

Производители объединяют эти катализаторы в сложные сборки, называемые слоями катализатора. До сих пор им приходилось делать это без подробного изображения полученной структуры, поскольку традиционные процессы визуализации почти всегда наносят определенный ущерб.

Василики Тилели, руководитель Лаборатории определения характеристик наноматериалов на месте с помощью электронов в Инженерной школе, нашел способ обойти эту проблему. Создавая изображения катализаторов и их окружения при отрицательных температурах с помощью криогенной просвечивающей электронной томографии и обрабатывая изображения с помощью глубокого обучения , ей и ее коллегам впервые удалось выявить наноразмерную структуру слоев катализатора.

«Мы все еще далеки от ПОМТЭ без платины , которая очень дорога, поэтому в краткосрочной перспективе нам необходимо уменьшить загрузку платины, чтобы сделать эту технологию жизнеспособной для массового производства . Поэтому крайне важно понять, как платина находится по отношению к другим материалы внутри слоя катализатора, чтобы увеличить площадь контакта, необходимую для протекания химических реакций», — объясняет Тилели.

«Вот почему изображение этих катализаторов в трех измерениях — настоящее достижение; раньше было невозможно получить правильный контраст между различными компонентами слоя катализатора».

Лучшая сохранность; более высокое разрешение

Во время визуализации с помощью обычной электронной микроскопии тонкие образцы слоев катализатора часто повреждаются электронными лучами, что приводит к усадке или деформации материалов. Выполнив визуализацию на месте при криогенных температурах, Тилели и ее команда смогли сохранить большую часть морфологии слоя катализатора. Затем они использовали алгоритм машинного обучения для более точного шумоподавления и классификации изображений, что позволило им достичь более высокого разрешения изображения, чем когда-либо прежде.

Важно отметить, что ученым удалось выявить неоднородную толщину пористого полимерного слоя на катализаторах, называемых иономерами. Толщина иономера сильно влияет на эффективность платиновых катализаторов.

«Иономер должен иметь определенную толщину, чтобы каталитические реакции происходили эффективно. Поскольку мы могли провести полную реконструкцию слоев катализатора с ограниченным повреждением структуры, мы впервые смогли показать, какая часть платины покрыта иономером и толщина этого покрытия», — объясняет Тилели.

Такая информация могла бы стать золотой жилой для производителей катализаторов , которые могли бы использовать ее для производства катализаторов с большим количеством частиц платины, покрытых нужным количеством иономера и, следовательно, работающих оптимально.

«Криоаспект является ключевым компонентом этого исследования. Иономеры похожи на белки: они мягкие и требуют условий замораживания для стабилизации и защиты своей структуры», — говорит Тилели.

«Я думаю, что эта передовая технология будет полезна не только для облегчения массового производства ПОМТЭ за счет оптимизированного использования платины, но и для многих различных материаловедческих и энергетических приложений, например, для хранения аккумуляторов, электролиза воды и систем преобразования энергии в целом.»