Создан рекордный катализатор для топливных элементов

Ученые создали для топливных ячеек катализатор, который в 17 раз эффективнее современных катализаторов на основе платины. Более того, он прост в производстве и, потенциально, может использоваться в автомобилях.

Исследователи из Технологического института Джорджии, США, синтезировали новый катализатор из нанокристаллов Pt-Ni (платина-никель). Катализатор обладает рекордно высокой активностью по отношению к реакции восстановления кислорода (ORR). Отметим, что низкая каталитическая активность в отношении ORR считается одним из основных препятствий для успешной коммерциализации топливных элементов на основе.

Топливные элементы на основе протонообменных мембран (PEMFC) имеют высокую эффективность преобразования энергии, что позволяет заменить ими бензиновые и дизельные двигатели двигателя внутреннего сгорания. К сожалению, для сборки топливного элемента приемлемой для коммерческого использования мощности, надежности и долговечности требуется немалое количество дорогостоящего металла – платины. Поэтому, чтобы сделать PEMFC пригодными для крупномасштабной коммерциализации, необходимы новые более эффективные катализаторы. По расчетам специалистов Министерства энергетика США, активность катализаторов по отношению к реакции восстановления кислорода должна быть увеличена примерно в 3-4 раза, что позволит при сохранении нынешней эффективности топливных ячеек уменьшить количество используемой платины.

Новый катализатор, разработанный американскими учеными, намного превосходит это требование и демонстрирует 17-кратное увеличение активности по отношению к ORR. Катализатор тоже использует платину, только в сочетании с никелем, а не углеродными наночастицами, как в лучших «традиционных» топливных ячейках. При этом в основе Pt-Ni-катализатора лежат нанокристаллы особой октаэдрической формы, которая обеспечивает максимальную площадь и активность каталитической реакции. Повысить эффективность Pt-Ni-катализатора удалось благодаря растворителю - бензиловому эфиру. Во время синтеза платина-никелевых нанокристаллов растворитель существенно уменьшает количество поверхностно-активных веществ, которые снижают эффективность катализатора. Более того, ученым удалось сохранить желаемую октаэдрическую форму нанокристаллов.

В ходе экспериментов, новый катализатор показал рекордное соотношение активности катализатора к массе: 0,9 вольт при 3,3 миллиграммах, что в 17 раз выше, чем у обычных катализаторов на основе платины с углеродными наночастицами.

Ученым удалось изготовить в лаборатории несколько граммов нового катализатора, состоящего из 9-нанометровых октаэдрических кристаллов. Этого достаточно для тестирования в топливной ячейке, чем и планируют заняться исследователи. Разработчики надеются, что высокая активность октаэдрических биметаллических Pt-Ni-нанокристалов сохранится и внутри топливных элементов и при этом будет обеспечена достаточная надежность и долговечность высокоактивного катализатора. Если испытания закончатся успешно, то новые топливные ячейки смогут составить конкуренцию привычным бензиновым и дизельным моторам.