Катализатор, легирующий платину с редким металлом.

Издательство Университета Цинхуа

Изображение: Наночастицы платины и лантана действуют как электрокатализаторы, ускоряя химическую реакцию в водородном топливном элементе для производства электричества и воды.посмотреть больше

Фото: Nano Research, Издательство Университета Цинхуа.

Исследователи разработали метод объединения дорогой платины и дешевого редкоземельного элемента лантана в качестве сплава, который послужит катализатором в топливных элементах следующего поколения, что улучшит их характеристики и снизит их стоимость. Разработка должна облегчить декарбонизацию тех тяжелых транспортных средств, которые менее приспособлены к использованию аккумуляторов для их питания.

Метод описан в статье, опубликованной в журнале Nano Research 22 сентября 2022 года.

Батареи, возможно, выиграли битву с водородными топливными элементами за экологически чистое питание автомобилей, но ряду других видов транспорта сложно заменить двигатели внутреннего сгорания на батареи из-за ряда препятствий, таких как вес и объем батарей, которые могут быть необходимы для вида услуг, которые они предоставляют. Это особенно актуально для тяжелого транспорта, такого как морские перевозки, авиация и дальнемагистральные грузоперевозки. В этих случаях большинство транспортных аналитиков предполагают, что вместо этого они, скорее всего, будут зависеть от какого-либо вида чистого топлива.

Топливный элемент способен приводить в действие транспортные средства и другие машины, превращая химическую энергию водорода в электричество, причем единственными другими выходами являются вода и тепло. До сих пор типом топливного элемента, наиболее часто используемым в ряде устройств, от спутников до космических кораблей, был щелочной топливный элемент, изобретение которого датируется почти столетием. Следующее поколение, скорее всего, будет выглядеть чем-то вроде топливного элемента с полимерно-электролитной мембраной, который также использует водород для производства электроэнергии, но он гораздо компактнее, что делает его особенно привлекательным для тяжелых транспортных средств.

Ключом к тому, чтобы сделать такие электрохимические реакции более эффективными (и, таким образом, снизить стоимость топливных элементов и сделать их более конкурентоспособными по сравнению с использованием ископаемого топлива) является поиск лучших катализаторов, материалов, которые ускоряют эти реакции.

К сожалению, из всех этих «электрокатализаторов», которые делают возможной ключевую химическую реакцию (реакцию восстановления кислорода или ORR), платина, безусловно, является лучшей. А платина, редкий металл, стоит недешево. В частности, для PEMFC невероятно высокая стоимость платины стала основным препятствием на пути их внедрения. Быстрая деградация после относительно небольшого количества циклов использования этого и без того дорогого электрокатализатора в высококоррозионной среде PEMFC только усугубила ситуацию.

«Поэтому ведется поиск электрокатализатора, который был бы недорогим, более устойчивым к деградации и, следовательно, стабильным в течение более длительных периодов времени, а также обеспечивал бы впечатляющую плотность тока — другими словами, количество электрического тока на единицу объема», — сказал он. Сиюань Чжу, один из авторов статьи и электрохимик из Чанчуньского института прикладной химии Китайской академии наук, «что позволяет нам сдержать обещание о компактности PEMFC».

Основным вариантом снижения затрат, который рассматривался, является «разбавление» количества платины, необходимой в качестве электрокатализатора, путем легирования ее другими, более дешевыми металлами, которые могут способствовать или даже усиливать каталитические свойства платины.

А основными кандидатами на легирование платиной до сих пор были так называемые поздние переходные металлы. Переходные металлы — это элементы, которые находятся в середине или d-блоке периодической таблицы. Железо, марганец и хром являются переходными металлами в середине этого среднего блока, а «поздние» переходные металлы, такие как кадмий и цинк, можно найти с правой стороны от него.

Однако доказано, что поздние переходные металлы не защищены от растворения в суровой, агрессивной среде PEMFC. Это не только приводит к постоянному снижению производительности, но и растворенный металл вступает в дальнейшую реакцию с побочными продуктами реакции восстановления кислорода, вызывая неконтролируемое повреждение всей системы.