Ученые синтезируют высокографитированную углеродную основу для увеличения срока службы водородных топливных элементов.
Исследовательская группа под руководством профессора Чон-Сунг Ю из Департамента энергетики и инженерии DGIST разработала низкотемпературный метод синтеза высокографитированной углеродной подложки, которая значительно продлит срок службы водородных топливных элементов. Они ожидают, что результаты этого исследования увеличат возможности коммерциализации для использования в топливных элементах для транспортных средств, батареях для электролиза воды и беспилотных летательных аппаратах. Работа опубликована в журнале Applied Catalysis B: Environmental.
Важность водородных топливных элементов возрастает с растущей потребностью в экологически чистой энергии. Поэтому в настоящее время ведутся исследования по улучшению производительности и срока службы водородных топливных элементов с особым упором на методы повышения активности и использования платины (Pt) в качестве катализатора топливных элементов .
Катализаторы топливных элементов на основе платины очень эффективны, но они дороги и имеют низкую долговечность. Чтобы решить эту проблему, Министерство энергетики США интенсивно ищет решения этих проблем, чтобы обеспечить широкое использование топливных элементов.
Основной проблемой долгосрочной долговечности является нестабильность катализатора на основе платины и его углеродного носителя. Высокие напряжения, генерируемые во время операций старт-стоп, разрушают углеродные подложки, вызывая отслоение поддерживаемой платины и снижение электропроводности . Необходимо срочно найти решение проблемы снижения производительности топливных элементов, но, поскольку повышение долговечности углеродных материалов является сложной задачей, большинство исследований сосредоточено на катализаторах на основе платины.
Повышение графитности повышает долговечность углеродных материалов. Однако графитность можно увеличить только за счет высокотемпературной термообработки (2000 ℃ или выше), что затрудняет создание свойств, которые могут улучшить характеристики топливных элементов. Следовательно, необходима новая стратегия синтеза, которая может обеспечить полезные свойства углеродных материалов менее энергоемким способом.
Исследовательская группа профессора Ю разработала новый метод синтеза, который может обеспечить высокую графитность даже при относительно низкой температуре 650 ℃. Это простой процесс, при котором азотсодержащий органический прекурсор нагревается порошком магния (Mg). Температура обработки была снижена беспрецедентным образом за счет восстановительной способности магния. Кроме того, магний действовал как собственный шаблон, обеспечивая пористую структуру и высокую удельную площадь поверхности углеродного материала с высокой степенью графитизации. Было подтверждено, что низкотемпературным процессом в углеродный материал было легировано достаточное количество азота.
Низкотемпературная обработка на основе магния, разработанная группой, позволила получить выдающийся углеродный носитель, отвечающий трем основным условиям электрохимического катализатора: графитность для стабильности и электропроводности, превосходная пористость и площадь поверхности, а также легирование гетероатомами.
Исследовательская группа ожидала, что высокая графитность улучшит долговечность углеродной подложки и что легирование гетероатомами эффективно предотвратит растворение платины за счет стабильного связывания с наночастицами платины. Чтобы убедиться в этом, они оценили долговечность платинового катализатора и углеродного носителя, используя протокол, предложенный Министерством энергетики США.
И катализатор, и носитель показали стабильность, которая превзошла целевые показатели Министерства энергетики США. Целью долговечности углеродного носителя была потеря активности на 40% в расчете на массу платины, но катализатор на основе платины и сильно графитированного углерода, легированного азотом (Pt-HGNC), потерял только 24% и был в 3,5 раза более стабильным, чем платина. – углеродный (Pt–C) катализатор.
Профессор Ю из Департамента энергетики и инженерии DGIST сказал, что они «предложили стратегию низкотемпературного синтеза для преодоления ограничений существующих методов производства углеродных материалов, и благодаря этому был синтезирован новый углеродный носитель. Недавно разработанный катализатор топливных элементов для который был применен, является первым, удовлетворяющим стандартам долговечности Министерства энергетики США как для платинового катализатора , так и для углеродной подложки», и они «рассчитывают внести свой вклад в коммерциализацию топливных элементов для транспортных средств и производства электроэнергии , а также в повышение долговечности катализаторов топливных элементов».
