Исследования коллектива лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ направлены на разработку нового «зеленого» метода синтеза высокоэффективных катализаторов для топливных элементов без использования агрессивных химических реагентов и отсутствия отходов в процессе производства.

В Южном федеральном университете активно развиваются научные направления, связанные с «зеленой» энергетикой. Зеленая, или же альтернативная возобновляемая энергетика — это перспективные способы получения, передачи и использования энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за умеренной стоимости и низкого риска вреда окружающей среде.

По мнению ученых, переход на альтернативную энергетику, в частности замена двигателя внутреннего сгорания на водородный топливный элемент в автомобилях позволит существенно снизить загрязнения окружающей среды, за счет отсутствия выхлопных газов.

Исследовательская деятельность лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ как раз направлена на решение этих проблем и связана с созданием наноструктурных платиносодержащих катализаторов нового поколения, которые являются сердцем каждого водородно-воздушного топливного элемента и преобразуют химическую энергию топлива в электрическую. Важно, чтобы такие материалы сочетали высокие функциональные характеристики и минимальное содержание дорогостоящей платины.

Так, в последней работе коллектив молодых ученых рассмотрел особенности изменения структуры катализаторов с различной архитектурой наночастиц под воздействием разных типов предварительной обработки. К слову, сейчас большое распространение получили катализаторы на основе платины, легированные различными d-металлами, такими как медь, кобальт, никель и так далее. Однако в процессе работы топливного элемента происходит растворение d-металлов, что в свою очередь снижает токовые характеристики топливного элемента и, как следствие, длительность его работы.

Ученые пришли к выводу, что химическая или электрохимическая активация биметаллических катализаторов оказывает существенное влияние на их состав, микроструктуру и каталитическую активность в реакции восстановления кислорода.

«По сравнению с обработкой в различных кислотах, электрохимическая активация биметаллических катализаторов на основе платины оказывает большее влияние на активность в реакции электровосстановления кислорода. Стадию электрохимической активации рекомендуется использовать в качестве обязательной предобработки катализаторов для получения высокоактивных материалов», — отметила ведущий научный сотрудник Анастасия Алексеенко.

В рамках исследования специалисты также дали рекомендации по термической обработке катализаторов, улучшенными d-металлами. По словам ведущего научного сотрудника Сергея Беленова, условия термической обработки напрямую зависят от природы легирующего компонента. Так, для обработки катализаторов PtCo/C предпочтительнее более высокие температуры (≥700 ˚C), в отличие от материалов PtNi/C, для которых не рекомендуется использовать температуры обработки выше 300 ˚C из-за сегрегации легирующего металла.

Один из перспективных видов предварительной обработки катализаторов — сочетание кислотной и термической обработки. Как отмечает младший научный сотрудник Алина Невельская, различные сочетания этих двух типов предобработки в свою очередь могут значительно повысить активность и стабильность материалов.

«Работа представляет большой интерес для ученых, работающих как в области водородной энергетики, так и материаловедения, так как освещает разные аспекты формирования различных типов структур наночастиц, от чего напрямую зависят характеристики электрокатализаторов», — отметила младший научный сотрудник Ангелина Павлец.

Выводы ученых станут подспорьем для дальнейших исследований в области улучшения функциональных характеристик платиносодержащих катализаторов.

Результаты работы, проведенной в рамках проекта Российского научного фонда «Влияние эволюции состава/структуры биметаллических наночастиц на каталитическую активность» под руководством ведущего научного сотрудника лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ Сергея Беленова опубликованы в журнале Catalysts.