Высокая кристалличность нанокатализатора повышает эффективность работы топливной ячейки

Материаловеды из Корнеллского университета (США) разработали новый химический процесс, позволяющий получать платиново-кобальтовые наночастицы с высоким содержанием платины во внешней оболочке, которые обладают во много раз более высокой каталитической активностью по сравнению с чистым металлом. Кроме того, процесс сразу впятеро (!) удешевил катализатор. Подробности исследования представлены в журнале Nature Materials.

На катализаторе анода водородной топливной ячейки молекулярный водород диссоциирует, отдавая во внешнюю цепь электроны. Образовавшиеся протоны проводятся через мембрану к катоду. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электронами (из внешней цепи) и четырьмя протонами, образуя воду, которая является единственным и притом совершенно безвредным продуктом реакции. Сегодня во всех коммерческих образцах в качестве катализатора используется чистая платина, отличающаяся от большинства металлов высокой ценой и природной редкостью. Исследователи более или менее безуспешно ищут пути замены платины какими-нибудь сплавами на её основе. И в этот раз им наконец-то сопутствовал успех.

Во-первых, было предложено использовать в качестве катализатора не чистую платину, а платиново-кобальтовый сплав, структурированный в виде очень мелких наночастиц. Это позволило немедленно снизить стоимость катализатора при сохранении каталитической активности на уровне чистой платины, которая, прямо скажем, в данном случае не блещет. К счастью, учёные продолжали искать способ увеличения эффективности нового катализатора. И он нашёлся. Равномерно распределив платиново-кобальтовые наночастицы диаметром около 5 нм по поверхности углеродной подложки, они добились максимизации доступной активной площади катализатора. Но это ещё не всё.

Теоретические расчёты параметров каталитической реакции предсказали, что при более тесном контакте между атомами платины на поверхности наночастиц их каталитическая активность возрастёт. Чтобы воплотить это, авторы разработали химический процесс получения платиново-кобальтовых частиц, включающий стадию отжига, при котором случайно расположенные атомы интерметаллического ядра образовывают упорядоченные кристаллические структуры. Атомы платины на поверхности частиц вынуждены выстраиваться в порядке, задаваемом кристаллической решёткой, которая заставляет их располагаться значительно ближе друг к другу. В итоге на поверхности наночастиц возникает дополнительное напряжение, резко повышающее каталитическую активность. Наличие описанных выше структурных особенностей подтверждено электронной микроскопией.

В предварительных испытаниях новые наночастицы продемонстрировали в 3,5 раза более высокую каталитическую активность, чем их предыдущие «модели», равномерно распределённые по углеродной подложке; по сравнению с чистой платиной эффективность увеличилась в 12 раз. Кроме того, новый катализатор оказался ещё и более надёжным. Обычно катализатор топливной ячейки теряет эффективность из-за необратимого окисления платины (например, при серном отравлении) или же вследствие агрегации частиц, протекающей с уменьшением площади активной поверхности. После 5 000 циклов каталитическая активность «упорядоченных» отжигом наночастиц не изменилась, в то время как аналогичные платиново-кобальтовые частицы с неупорядоченным ядром (не прошедшим высокотемпературную обработку) быстро теряли своё лицо (см. выше график нормализованных каталитических активностей наночастиц с упорядоченными (красная линия) и неупорядоченными (синяя) ядрами, при этом первоначальный всплеск активности в обоих случаях связан с самоочисткой поверхностей катализаторов водородом). По мнению учёных, платиновая оболочка крепче связывается с упорядоченным ядром, что делает агрегацию соседних частиц гораздо менее выгодной.

Подготовлено по материалам Корнеллского университета.