Простое и масштабируемое производство нанокатализатора топливных элементов для водородной экономики.
Топливный элемент — это генератор электроэнергии, способный производить электроэнергию из газообразного водорода, при этом в качестве отходов выбрасывается только вода. Есть надежда, что эта высокоэффективная система чистой энергии сыграет ключевую роль в переходе на водородную экономику, заменив двигатели внутреннего сгорания и батареи в автомобилях и грузовиках, а также электростанции.
Однако стоимость платины, которая может достигать ~ 30 000 долларов США за кг, была основным ограничением, что делало катализаторы для топливных элементов непомерно дорогими. Методы производства высокоэффективных катализаторов также были сложными и в значительной степени ограниченными. Соответственно, разработка простого и масштабируемого метода производства катализаторов для топливных элементов на основе платины является неотложной задачей, наряду с повышением каталитических характеристик и стабильности при использовании минимального количества платины.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа во главе с профессором Сунг Юнг-Юном и профессором Хён Тэгван из Центра исследований наночастиц (CNR) Института фундаментальных наук (IBS) в Южной Корее открыла новый метод производства нанокатализаторов.
Исследователи продемонстрировали, что эти наночастицы сплава кобальт-платина (Co-Pt) одинакового размера (3-4 нанометра) могут быть получены путем простой термообработки. Этот метод сочетает в себе черты простоты синтеза метода пропитки, а также точного контроля размера и формы нанокристаллов, аналогичного коллоидному методу.
Новые нанокатализаторы на основе сплава Co-Pt, разработанные командой CNR-IBS, состоят из двух противоположно заряженных металлических комплексов, а именно ионов Co и Pt, окруженных лигандами бипиридина и хлора соответственно.
Исследовательская группа предположила, что простая термическая обработка приведет к термическому разложению бипиридинового лиганда на углеродную оболочку, которая может защитить растущие наночастицы сплава Co-Pt. После оптимизации условий термообработки им удалось получить высокооднородный нанокатализатор с размером наночастиц всего 3-4 нанометра.
В нанокатализаторе, разработанном группой, атомы Co и Pt были организованы регулярным образом, называемым «интерметаллической фазой», где нестабильные атомы Co стабилизируются окружающими атомами Pt. Кроме того, когда азот был эффективно легирован на углеродный носитель, иономеры (протонные проводники) были однородно диспергированы по всему слою катализатора в топливном элементе, что лучше облегчало подачу газообразного кислорода к поверхности нанокатализатора Co-Pt.
Эти конструктивные особенности позволили значительно повысить энергетические характеристики топливного элемента с протонообменной мембраной, продемонстрировав высокую удельную номинальную мощность 5,9 кВт/гПт, что примерно в два раза превышает текущие характеристики коммерческого водородного транспортного средства. Катализатор, произведенный командой, достиг большинства целей на 2025 год, установленных Министерством энергетики США (DOE) с целью стабильной и долгосрочной работы топливного элемента.
Команда CNR-IBS твердо верит, что это исследование будет стимулировать разработку катализаторов для топливных элементов следующего поколения. Эти результаты также будут способствовать улучшению каталитических характеристик и долговечности сплавных нанокатализаторов для различных других электрокаталитических применений.
Профессор Хён сказал: «Разработка нового биметаллического соединения в качестве материала-предшественника была важной отправной точкой в этом исследовании. Мы разработали платформу для производства сложной формы сплава нанокатализаторов с помощью простого и масштабируемого метода и, наконец, достигли улучшенные энергетические характеристики топливных элементов с меньшим количеством используемой платины».
Профессор Сунг сказал: «В этом исследовании был достигнут уровень производительности топливных элементов мирового класса, превосходящий большинство целей Министерства энергетики США на 2025 год за счет уменьшения количества платины, которая может составлять до 40% стоимости топлива. клетки». Он добавил: «Мы ожидаем, что это исследование вместе с некоторыми последующими исследованиями окажет большое влияние на рост отрасли водородных транспортных средств и реализацию водородной экономики в ближайшем будущем».
