Исследователи из Университета Вашингтона (Washington University) в Сент Луисе и Брукхевенской Национальной Лаборатории (Brookhaven National Laboratory), Министерства Энергетики США разработали технологию получения очень стабильного биметаллического катализатора для топливных элементов, который превосходит по эффективности существующие образцы в 2–5 раз.

Результаты исследований опубликованы в интернет версии журнала Science (Pd-Pt Bimetallic Nanodendrites with High Activity for Oxygen Reduction)

Для повышения эффективности катализатора можно уменьшать размер входящих в него частиц, пытаясь повысить площадь рабочей поверхности, а можно изменять структуру расположения поверхностных атомов. По словам руководителя группы проф. Юнань Ся (Younan Xia), ученые объединили эти подходы.

Изображение наноструктур из палладия и платины, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Тесты показали, что биметаллический катализатор имеет существенно более высокие рабочие параметры по сравнению с известными коммерческими образцами, что может более эффективной и дешевой технологии топливных элементов и совершенно очевидно – способствовать более высокой степени очистки (Фото: Younan Xia).

Новый катализатор имеет древовидную наноструктуру: палладиевый сердечник или «ядро» размером около 9 нм поддерживает прикрепленные к нему «ветви» из платины длиной 7 нм. В одном из вариантов технологии для синтеза таких образований использовали взвесь предварительно подготовленных нанокристаллов палладия, к которой добавляли водный раствор поливинилпирролидона (стабилизатора Е1201) и аскорбиновой кислоты (витамин С). Полученную смесь нагревали до 90 °C, после чего к ней добавляли раствор тетрахлороплатината калия K₂PtCl₄. На завершающем этапе процесса смесь выдерживали в течение 3 часов при 90 °C, а затем охлаждали.

Экспериментальная проверка свойств созданных нанодендритов показала, что при комнатной температуре их эффективность (в пересчете на единицу массы платины) превосходит эффективность современных образцов платиновых катализаторов в 2,5 раза (при сравнении с другими распространенными катализаторами преимущество еще больше) и практически соответствует жестким требованиям Министерства Энергетики США.

Биметаллическая структура также показала себя довольно стабильной и успешно противостояла изменению побочными продуктами реакции; на практике это должно позволить уменьшить расход катализатора и стоимость производимой энергии. По словам проф. Юнань Ся важнейшим элементом новой технологии является жесткое закрепление платиновых ветвей, откуда и появляется стабильность. А заданное расположение атомов на каждой ветви позволяет увеличить активность катализатора.

В настоящее время группа проф. Юнань Ся рассматривает возможность введения в структуру атомов других благородных металлов (к примеру, золота). Как известно, золото окисляет окись углерода, образующуюся в ходе реакций в некоторых типах топливных элементов, поэтом, можно предположить, что триметаллический катализатор с золотом может оказаться еще более выгодным с точки зрения противодействия ингибированию примесями.

Следует отметить, что представленное достижение, вряд ли можно считать прорывом в конструировании топливных элементов, поскольку для катализаторов использованы все те же благородные металлы: платина, палладий и золото… однако, это, безусловно, новый успех нанотехнологии.

Евгений Биргер