Нанокомпозит заменит платину в топливных батареях

Наука и образование

Нанокомпозит заменит платину в топливных батареях

Ученые из Хакасского государственного университета, Сибирского федерального университета и Института физики Сибирского отделения РАН (оба в Красноярске) нашли оптимальный по своей структуре и параметрам нанокомпозит из платины и палладия, пригодный для использования в качестве катализатора в топливных элементах. В настоящее время для этого используется заметно более дорогая платина. Соответствующая статья опубликована в The Journal of Physical Chemistry.

Сейчас использование топливных батарей резко ограничивается их стоимостью — например, машины на их основе дороже даже электромобилей (например, Toyota Mirai заметно дороже Tesla Model 3), не говоря уже о машинах с двигателями внутреннего сгорания. Вкупе с отсутствием готовой водородной инфраструктуры это ведет к низкой популярности таких технологий в целом. Ключевая причина дороговизны топливных батарей — использование ими очень дорогих материалов, в частности платины.

Водородные топливные элементы обладают хорошим КПД (более 50 процентов), а в качестве выхлопа дают воду. Для катализации химической реакции на электродах топливных элементов обычно используется платина, стоимость которой составляет до 70 процентов от общей цены устройства.

Авторы новой работы решили исследовать, как лучше всего заменить ее. По их расчетам, смесь платины и палладия может иметь ту же катализирующую эффективность, если «размазать» меньшее количество платины на большую удельную поверхность. Для этого в их схеме предлагается формирование наночастицы, в которой ядро из палладия покрыто атомарным в толщину слоем платины.

Исследователи протестировали каталитическую эффективность таких наночастиц из платины и палладия различного строения и структуры при помощи квантово-химического моделирования. В итоге им удалось определить структуру наночастиц, в которых перераспределение электронной плотности между ядром и оболочкой будет давать наибольшую отдачу, максимизируя каталитическую активность.

Чтобы понять, какими должны быть оптимальные размеры наночастиц из палладия с тонким платиновым покрытием, авторы новой работы смоделировали структурные изменения, которые произойдут с ними внутри работающей топливной батареи, где температура в норме поднимается до 700—900 кельвинов. Оказалось, что при диаметре наночастиц от 2,5 нанометра и более структурные трансформации при нагреве затрагивают примерно 40 процентов поверхности. А вот для наночастиц диаметром от 2,0 нанометров и менее (до 1,5 нанометра) трансформация затрагивает всю поверхность, и в итоге наночастицы приобретают форму двадцатигранника, что дает максимально возможный при этом количестве платины поверхностный отрицательный заряд. Таким образом достигается лучшая возможная каталитическая активность.

Исходя из моделирования, вне зависимости от исходной формы наночастиц, достаточно сделать их не более двух нанометров в диаметре, чтобы получить при нагреве внутри топливной батареи частицы наиболее подходящей формы и производительности.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *