Содержание платины в катализаторе сократят в 4 раза без снижения эффективности

Американские ученые нашли новый катализатор, который увеличивает эффективность платины в топливных элементах.

Платина — драгоценный металл, в недрах встречается реже серебра и золота. Платина эффективно преобразует водород и кислород в воду и электричество и помогает добиться непревзойденной активности и стабильности химических реакций.

Но платина дорого стоит, а потому ученые перманентно ищут более дешевые катализаторы.

В новом исследовании, опубликованном в издании Science, ученые открыли новый катализатор, в котором платины используется в 4 раза меньше, чем в текущих, однако продуктивность остается на том же уровне.

Куда уходит платина

В топливных элементах платина используется двумя способами: для преобразования водорода в протоны и электроны, а также для разрыва кислородных связей и образования воды. Последняя реакция, восстановление кислорода, требует особенно большого количества драгоценного металла, и поэтому ученые непрерывно иные способы сокращения содержания платины в катализаторах.

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории при Министерстве энергетики США нашли новые способы значительного повышения эффективности использования платины.

Прежде всего, они изменили ее форму, чтобы максимально увеличить реакционную способность и доступность драгоценного металла. В этой конфигурации кобальт-платиновое наноядро покрыто несколькими атомными слоями чистой платины.

— Эта структура позволяет получить больше каталитически активных частиц для распределения по поверхности катализатора, и это лишь первый шаг, отметил химик Ди-Цзя Лю.

Сами по себе такие наночастицы не способны справиться с большим притоком кислорода, когда топливному элементу надо генерировать электрический ток.

Футбольное поле принимает участие в игре

Для повышения эффективности катализатора ученые использовали еще один способ, хорошо известный им по прошлым исследованиям: они создали каталитически активную подложку без металлов платиновой группы в составе, и использовали ее в качестве основы для наночастиц кобальт-платинового сплава.

Применив металл-органические каркасы в качестве прекурсоров, Лю с коллегами сумели подготовить кобаль-азот-углеродную композитную подложку, в которой каталитически активные центры равномерно распределены около кобальт-платиновых частиц.

Такие активные центры способны самостоятельно разрывать кислородные связи и работать в унисон с платиной.

— Думайте об этом как о молекулярной футбольной команде, заявил Лю. — Наночастицы действуют как распределенные по всему полю форварды, которые пытаются справиться со слишком большим количеством молекул кислорода. Чтобы помочь, мы сделали каталитически активным все футбольное поле, и теперь кислороду противостоят не только форварды, но и покрытие поля.

Как выяснилось, новый комбинированный катализатор не только активнее, но и долговечнее, чем каждый из компонентов в отдельности.

13.12.2018