В Корейском институте энергетических исследований работает лаборатория водородных топливных элементов. Трое ее сотрудников — доктора Пак, Квон и Ли — придумали необычный способ управлять металлическими пленками. Они используют угарный газ. Обычно этот газ смертельно опасен для человека. Но исследователи взяли его вредное свойство и превратили в инструмент. Теперь они могут наносить металлические слои толщиной всего в 0,3 нанометра — это несколько атомов. Процесс идет быстрее и проще, чем раньше. А главное — так получаются так называемые катализаторы типа ядро-оболочка. Именно они делают топливные элементы дешевле и выгоднее для промышленности.

Разберемся, что такое катализатор ядро-оболочка. Представьте себе шарик. Внутри — дешевый металл. Снаружи — тончайший слой платины. Платина нужна, чтобы ускорить реакцию в топливном элементе. Там кислород соединяется с водородом — это называется кислородно-восстановительная реакция. Чем быстрее идет реакция, тем быстрее течет ток. Поэтому качество катализатора напрямую влияет на мощность. Если сделать всю деталь из чистой платины, будет очень дорого. А если взять дешевую сердцевину и покрыть ее платиной в один атом, то и деньги сэкономим, и производительность сохраним. Вся хитрость — в точности нанесения. Нужен слой строго заданной толщины, буквально поатомный.

Раньше для этого использовали метод медного недосаждения. Сначала на ядро осаждали тонкий слой дешевой меди. А потом заменяли его на платину. Звучит неплохо, но на деле все сложно. Требовалась сверхточная регулировка напряжения, плюс дополнительные этапы для удаления оксидов с поверхности. В итоге производство получалось долгим и громоздким. Для больших объемов этот способ подходил плохо.

Корейские ученые предложили другой подход. Они назвали его CO AID — осаждение, вызванное адсорбцией угарного газа. Вместо меди они напрямую используют свойства угарного газа. Тот очень липнет к металлическим поверхностям. Если вы вдохнете угарный газ, он крепко прицепится к железу в вашей крови и не даст кислороду переноситься. Из-за этого люди травятся и даже умирают. Но исследователи рассудили иначе: раз газ так хорошо прилипает к металлу, почему бы не сделать из этого инструмент? И они заставили молекулы угарного газа лечь ровным слоем на поверхность металлического ядра. А сверху на этот слой уже осадили платину. Слой платины получился толщиной как раз в один атом — те самые 0,3 нанометра. Никаких лишних движений, никакой сложной электрохимии.

Подробности опубликованы в издании ACS Nano.

Сколько времени занимал старый метод? Более суток, часто под 24 часа. Новый метод позволяет получать килограммы готового катализатора за 30 минут — максимум за 2 часа. Причем не нужны ни дополнительные восстановители, ни точные электрохимические системы. Угарный газ сам справляется с восстановлением металла.

Ученые проверили свою технологию на разных металлах. Они наносили платину на палладий, на золото, на иридий. Лучше всего показал себя катализатор на основе палладия. Его активность в кислородно-восстановительной реакции оказалась вдвое выше, чем у обычного коммерческого катализатора — платины на углероде. И прочность — в полтора раза выше. А обычная платина на угле — это стандартный дешевый катализатор, который сейчас используют везде. Его легко производить, но он уступает новому по характеристикам.

Руководитель исследований доктор Пак объяснил суть работы так:

Мы превратили ядовитость угарного газа в инструмент для настройки невероятно тонких пленок. Это совсем другая философия синтеза. Мы можем управлять материалом на уровне отдельных атомов и делаем это очень быстро. Технология готова к выходу на рынок.

А его коллега доктор Квон добавил:

Раз мы смогли управлять поверхностью металлических наночастиц с помощью простого угарного газа, этот метод можно применить и в других областях. Например, в производстве полупроводников или тонких пленок для электроники.

Краткий анализ стоимости и доступности

Технология выглядит недорогой. Вместо сложных электрохимических систем и дорогих реагентов используется обычный угарный газ. Он токсичен, но его получение и очистка давно отработаны в промышленности. Новое оборудование не требуется. Основные затраты — это реакторы и меры безопасности. Поскольку время процесса сократилось с суток до часа, себестоимость килограмма катализатора должна упасть многократно. Для производителей топливных элементов это прямой путь к удешевлению продукции.

Что было раньше

До этого исследования инженеры десятилетиями бились над методом медного осаждения. Его хорошо изучили, но он оставался капризным. Появление CO AID — это шаг вперед. Вместо усовершенствования старого метода ученые применили совсем другой физико-химический принцип. Скачок во времени (с 24 часов до 30 минут) и в простоте говорит в пользу прорыва. Правда, прорыв пока лабораторный, до промышленных линий еще надо дойти.

Этичность и возможный вред

С этикой тут все нормально: работа направлена на развитие чистой энергетики. Вред может быть связан только с использованием угарного газа. В лаборатории и на производстве придется строго соблюдать технику безопасности. Утечка газа может убить людей. Однако в химической промышленности уже давно работают с гораздо более опасными веществами. Правильно спроектированная установка не несет дополнительных рисков. Сам готовый катализатор безопасен, так как угарный газ в нем не остается.

Когда новую разработку сможет испытать потребитель

Когда технологию внедрят в серийные топливные элементы, это затронет владельцев автомобилей на водороде и стационарных электростанций. По оптимистичным прогнозам, пройдет 3–5 лет. Производителям нужно масштабировать процесс, подтвердить его надежность на тысячах килограммов продукта и получить сертификаты. В лабораторных масштабах технология уже работает. Следующий этап — пилотное производство.

Сравнение с аналогами

Критика и главный подвох

Исследователи показывают выдающиеся результаты на палладиевом ядре. Но сам палладий — тоже драгоценный металл, хотя и дешевле платины. Вопрос: насколько выгодно заменять платину на палладий? Если мы экономим на платине, но начинаем тратить много палладия, экономический смысл может снизиться. В тексте не сказано, каково соотношение платины и палладия в готовом катализаторе. Возможно, настоящий прорыв случится, когда ядро сделают из совсем недорогого металла — например, никеля или меди. Исследователи упоминают золото и иридий, но это еще дороже. Так что главный подвох в том, что рекламируется как «дешевый» метод, а на практике сырье может остаться дорогим. Плюс угарный газ токсичен и взрывоопасен в смеси с воздухом — это дополнительные расходы на безопасность.

Ранее ученые удешевили производство водорода.