Платиновый нанокатализатор с графеновыми нанокарманами повышает долговечность и эффективность топливных элементов

Производство и использование гибридных и электрических транспортных средств набирает обороты, что способствует продолжающимся усилиям по декарбонизации транспортной отрасли. В то время как автомобили и транспортные средства меньшего размера могут работать от литиевых батарей, электрификация большегрузных транспортных средств, таких как грузовики и большие автобусы, до сих пор была гораздо более сложной задачей.

Топливные элементы, устройства, вырабатывающие электричество с помощью химических реакций, являются многообещающими решениями для питания транспортных средств большой грузоподъёмности. Большинство используемых в настоящее время топливных элементов — это так называемые топливные элементы с протонно-обменной мембраной (PEMFC), которые вырабатывают электричество с помощью реакции водорода и кислорода, пропуская протоны от анода к катоду через твёрдую полимерную мембрану.

Несмотря на свой потенциал, многие существующие топливные элементы имеют ограниченный срок службы и эффективность. Эти ограничения до сих пор препятствовали их широкому использованию в производстве электрических или гибридных грузовиков, автобусов и других большегрузных транспортных средств.

Исследовательская группа Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), возглавляемая профессором Ю Хуангом, недавно разработала новый нанокатализатор на основе платины (Pt), материал, который ускоряет химические реакции и может помочь повысить эффективность и долговечность топливных элементов. Этот катализатор, представленный в статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, состоит из наночастиц платины, защищенных графеновыми нанопакетами и нанесенных на форму углерода, известную как Ketjenblack.

«Наше исследование было вызвано острой необходимостью декарбонизации большегрузных транспортных средств (HDV), таких как дальнобойные грузовики, которым требуется увеличенный запас хода и долговечность, — рассказала Хуанг, старший автор статьи, изданию Phys.org. — Топливные элементы представляют собой многообещающее решение для электрификации большегрузных транспортных средств благодаря их превосходной удельной энергоёмкости на системном уровне по сравнению с аккумуляторами. Однако основным препятствием является стабильность катализатора».

Платина и другие металлы, из которых обычно изготавливают катализаторы для топливных элементов с твёрдым электролитом, постепенно растворяются, и некоторые их атомы оседают на других частицах, из-за чего они становятся крупнее. Этот процесс уменьшает площадь катализатора, который может ускорять реакции в топливных элементах, что в конечном итоге приводит к снижению их производительности с течением времени.

«Вдохновившись этой задачей, наша команда в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе разработала катализатор на основе платины с инновационной защитной, но при этом проницаемой структурой, — сказала Хуанг. — Нашей главной целью было создать архитектуру катализатора, которая эффективно предотвращает растворение металла и сохраняет высокую каталитическую активность при длительном использовании».

Нанокатализатор на основе платины, разработанный Хуанг и её коллегами, имеет уникальную конструкцию, которая замедляет его деградацию с течением времени. Катализатор состоит из ультратонких наночастиц платины, заключённых в тонкие защитные слои графена, известные как нанокарманы из графена.

«Эти графеновые нанокарманы защищают наночастицы платины от растворения и слипания (объединения в комки), — объяснил Зейан Лю, один из первых авторов статьи. – Кроме того, эти защищённые наночастицы удерживаются в порах углеродной подложки, что значительно повышает стабильность и долговечность в суровых условиях эксплуатации».

В этом недавнем исследовании был представлен альтернативный катализатор, который может повысить производительность и долговечность топливных элементов, поскольку он не разрушается так быстро, как многие катализаторы, представленные в прошлом. В ходе первоначальных испытаний новый нанокатализатор на основе платины показал очень многообещающие результаты, поскольку топливные элементы с его использованием продемонстрировали беспрецедентную стабильность, сохраняя при этом высокую каталитическую активность и эффективность.

«Катализатор продемонстрировал исключительные характеристики, в том числе начальную массовую активность 0,74 А·мг⁻¹ и номинальную удельную мощность 1,08 Вт·см⁻², — сказал Боси Пэн, соавтор статьи. – Примечательно, что после тщательного ускоренного стресс-теста на 90000 циклов напряжения потери мощности катализатора составили менее 1,1%. Эти показатели позволяют предположить, что прогнозируемый срок службы топливного элемента превысит 200000 часов, что значительно превосходит текущие цели Министерства энергетики в отношении сверхмощных топливных элементов.

В будущем новый катализатор, разработанный Хуанг и её коллегами, можно будет использовать для создания новых высокоэффективных и долговечных топливных элементов на основе водорода. Эти топливные элементы, в свою очередь, можно будет использовать для питания различных большегрузных транспортных средств, что будет способствовать текущим усилиям, направленным на сокращение выбросов углекислого газа.

«Наше исследование представляет собой значительный шаг вперёд в сокращении выбросов и повышении топливной экономичности в транспортных отраслях, которые в значительной степени способствуют потреблению энергии и оказывают воздействие на окружающую среду, — добавила Хуанг. – Помимо дальнейшего повышения активности и долговечности платинового катализатора, мы планируем сосредоточить будущие исследования на оптимизации всей структуры электродов-катализаторов для дальнейшего повышения производительности топливных элементов. Разработка передовых углеродных материалов для поддержки, инновационной архитектуры электродов и улучшенных иономеров будет иметь не менее важное значение, поскольку они существенно влияют на производительность при высокой плотности тока и общую стабильность топливных элементов».

Исследовательская группа Хуанга в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в настоящее время проводит дальнейшие исследования, направленные на совершенствование топливных элементов. В настоящее время их усилия сосредоточены на совершенствовании мембранно-электродных узлов, центрального компонента PEMFC.

Источник: Phys.org