Энергоэффективность топливных элементов на основе окисления метанола, перспективных для автомобильной и технической промышленности, можно увеличить, применив в них электроды из тонких пленок металлических стекол на основе палладия. Такие металлические стекла и разработала группа исследователей из Дальневосточного федерального университета, Австрии, Великобритании, Турции и Швейцарии.

Результаты работы опубликованы в журнале Nanoscale. Тонкие пленки из металлических стекол на основе палладия, золота и кремния (Pd₇₉Au₉Si₁₂) могут стать материалом номер один в качестве катализаторов процессов выработки энергии в прямых метанольных топливных элементах, заменив менее эффективные и более дорогие платиновые.

Метанольные топливные элементы перспективны для автомобилей и другой специальной техники, которая должна мгновенно развивать усилие, а значит, обладать подходящей системой питания — например, для погрузчиков. Дополнительные сферы применения таких топливных элементов — телекоммуникации, центры обработки данных или рынок недвижимости.

Разработанный электрод из металлического стекла на 85 процентов эффективнее окисляет метанол по сравнению с платиновыми аналогами. Более того, металлическое стекло намного более устойчиво к коррозии из-за своей аморфной структуры. Для платиновых электродов, имеющих стабильную кристаллическую решетку, деградация — большая проблема.

«В научной литературе была информация о возможных перспективах металлического стекла в качестве материала для таких электродов. Однако речь шла о макроскопических образцах. Мы показали, что тонкие наноразмерные пленки металлического стекла, осажденные на доступные кремниевые подложки, могут быть использованы для эффективного окисления метанола. При этом пленки остаются стабильными после значительного количества рабочих циклов. Опираясь на полученные результаты, можно существенно расширить область поиска новых материалов для сферы энергетики», — говорит один из авторов работы Юрий Иванов, доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ.

Новое металлическое стекло на основе палладия — лучший на сегодняшний день материал для окисления метанола в топливных элементах. Он превосходит существующие разработки и коммерческие образцы. Ученые приводят сравнительную таблицу, где оценивают топ-список материалов, которые использовались до настоящего времени для этой задачи.

Разработанный образец обладает одним из самых высоких значений производительности. Учитывая более высокую устойчивость к эффекту «отравления» монооксидом углерода, которое обычно приводит к деградации электрода, металлическое стекло занимает первое место среди известных типов электродов для окисления метанола.

Для реального применения нового материала необходимо масштабировать и оптимизировать разработанные электроды под существующие топливные элементы. Ученые планируют продолжить поиск оптимальных композиций металлических стекол, чтобы увеличить производительность и стабильность топливных ячеек на основе окисления метанола, КПД которых варьируется сегодня от 40 до 60 процентов. Для сравнения КПД бензинового двигателя — всего 20–30 процентов.

Одно их приоритетных направлений ДВФУ — поиск материалов с принципиально новыми свойствами и характеристиками для применений в электронике нового поколения, зеленой энергетике, строительстве и многих других сферах экономики. Ранее ученые ДВФУ, МИСИС, МГУ вместе с иностранными коллегами сделали шаг к решению одной из главных проблем водородной энергетики, придумав как насыщать тонкие слои металлических стекол водородом при комнатной температуре. Это сильно расширяет диапазон недорогих, энергоэффективных и высокопроизводительных материалов и методов, пригодных для развития водородной энергетики.