Чтобы помочь решить проблему изменения климата, нам необходимо срочно перейти на чистую энергию. Энергетический сектор вносит значительный вклад в выбросы парниковых газов, которые являются основной движущей силой глобального потепления.

Наша исследовательская группа в Университете Западного Онтарио разрабатывает инновационные способы производства экологически чистой электроэнергии. Топливные элементы находятся на переднем крае этого направления, предлагая многочисленные преимущества в поиске устойчивых энергетических решений.

Эти устройства открывают многообещающий путь к чистой энергии , эффективно преобразуя химическую энергию в электричество, побочными продуктами которой являются только вода и тепло . Это делает их экологически чистым выбором для производства электроэнергии.

Одним из наиболее перспективных типов топливных элементов является топливный элемент с мембраной из полимерного электролита (PEMFC), поскольку он применяется на транспорте, а также в портативных и стационарных источниках энергии, где решающими факторами являются эффективность, быстрота реагирования и снижение выбросов.

Платина как катализатор

Одна из основных проблем, препятствующих широкому внедрению PEMFC, связана с использованием платины , что проблематично из-за ее дефицита . Эта зависимость от платины обусловлена ​​ее способностью облегчать реакцию восстановления кислорода (ORR) , которая является фундаментальным процессом производства электрической энергии в PEMFC.

ORR включает восстановление молекул кислорода в воду посредством серии сложных реакций. Этот процесс отвечает за выработку электроэнергии, которую обеспечивают топливные элементы. Присутствие платины в качестве катализатора снижает энергию, необходимую для восстановления молекул кислорода. Без платины ORR будет происходить слишком медленно, чтобы обеспечить практичное и эффективное производство электроэнергии.

Однако высокая стоимость и дефицит платины создают серьезные проблемы для коммерческой жизнеспособности PEMFC. Растущая цена на платину сделала экономически невозможным ее использование в крупномасштабном производстве топливных элементов, что не позволяет PEMFC стать основным решением для экологически чистой энергетики.

Наши исследования направлены на создание катализаторов, способных эффективно заменить платину. Наша исследовательская группа использует передовые разработки, такие как канадский источник света , усовершенствованный источник фотонов и тайваньский источник фотонов .

Используя эти ресурсы и технологии, мы изучаем различные стратегии разработки катализаторов, получаем глубокое понимание их структурных и химических характеристик и лучше понимаем, как они могут способствовать достижению нашей цели по снижению зависимости от платины.

Сложная область конструкции катализаторов

В наших исследованиях мы изучаем конструкцию катализаторов, уделяя особое внимание двум фундаментальным технологиям: легированию платины переходными металлами и созданию сложных структур ядро-оболочка.

Легирование платины — это процесс смешивания платины с другими переходными металлами для улучшения каталитических характеристик. Этот подход приводит к созданию катализаторов с улучшенной реакционной способностью и долговечностью , что делает их высокоэффективными в широком спектре применений, включая топливные элементы.

Помимо легирования, наши исследования также направлены на разработку сложных структур ядро-оболочка . При таком подходе экономичное металлическое ядро ​​окружено несколькими слоями оболочки из другого материала, что обеспечивает защиту и одновременно повышает каталитическую эффективность.

Такая конструкция позволяет точно контролировать каталитические реакции, оптимизировать свойства поверхности и минимизировать потери материала.

Постоянные проблемы

Несмотря на наши достижения, долговечность этих катализаторов представляет собой проблему. Присущая им нестабильность, которая означает их склонность к деградации, снижению эффективности или нежелательным изменениям, является существенным препятствием для реальных приложений.

Наша исследовательская группа нашла потенциальное решение: введение легирующих добавок кобальта в поверхностную и приповерхностную область катализаторов . Это создает катализаторы на основе платины, способные противостоять суровым условиям и времени. Это значительно повышает долговечность и эффективность этих катализаторов.

Наша команда разработала новые частицы — легированное кобальтом палладий-платиновое ядро-оболочка, которые обладают характерной октаэдрической структурой и исключительной устойчивостью как к суровым химическим средам, так и к длительному использованию.

Эта инновационная наноразмерная структура с ядром из палладия и внешней оболочкой из платины с добавлением атома кобальта в платиновую оболочку обеспечивает этим наночастицам исключительную долговечность. Они демонстрируют замечательную способность противостоять деградации и сохранять свою каталитическую активность в течение длительных периодов времени.

После тщательного исследования, включающего 20 000 ускоренных циклов испытаний на долговечность, призванного обеспечить лучшее понимание того, как катализаторы разлагаются в тщательно контролируемых лабораторных условиях, их производительность снизилась лишь на два процента по сравнению с их исходным состоянием в начале испытаний.

Возможное будущее

Легированные кобальтом палладий- платиновые наночастицы ядро-оболочка могут совершить революцию в технологии топливных элементов. Их обещание стать высокоэффективными и долговечными катализаторами ORR указывает путь к более устойчивому энергетическому будущему.

Наши исследования согласуются с острой необходимостью борьбы с изменением климата как с глобальным кризисом . Заменив ископаемое топливо более чистыми энергетическими альтернативами, мы можем внести свой вклад в более устойчивое и устойчивое будущее.