Исследователи из Тяньцзиньского университета нашли способ сделать топливные элементы дешевле и живучее. Главная проблема таких элементов, которые работают на водороде, — платина. Этот металл дорогой, и без него катализатор не работает. Новый трюк в том, чтобы снизить содержание платины, но не потерять в эффективности и не допустить коррозии углеродной основы.

Ученые сделали необычную подпорку — похожую на дерево структуру из азотированного углерода (назвали ее T-NC). В качестве ствола они использовали углеродные нанотрубки, которые хорошо проводят ток, а ветви сделали из углерода, полученного из ZIF-8 (это пористая структура на основе цинка). На эти ветви уже крепятся частицы платины. В итоге платины совсем мало — 0,1 миллиграмма на квадратный сантиметр.

Подробности опубликованы в издании Frontiers in Energy.

Что это дало на практике

По сравнению с обычными электродами из платины на угле, новинка снизила потери из-за плохого массопереноса на 30% при высокой плотности тока в 2 ампера на квадратный сантиметр, а пиковая мощность выросла на 12,7%. Кроме того, такая конструкция гораздо лучше противостоит коррозии. После 5000 циклов ускоренных испытаний на долговечность электрод сохранил 50,8% исходных характеристик, тогда как у традиционного осталось только 38%.

Анализ стоимости и доступности

Сама технология пока дороговата из-за использования углеродных нанотрубок и сложного синтеза ZIF-8. Но главное — она позволяет резко сократить расход платины. Сырая платина стоит около 30-50 долларов за грамм, а экономия даже в 0,2 мг на квадратный сантиметр для массового производства дает миллионы. Так что для производителей это выгодно. А вот для обычного человека подешевеет сам водородный автомобиль или генератор. Доступность вырастет, когда технологию запустят в серию, а не в лаборатории.

Что было до этого и насколько это прорыв

Ученые бились над проблемой коррозии углеродной подложки лет двадцать. Обычный углерод (например, сажа Vulcan) окисляется, и платина отваливается. Были варианты с графеном, с оксидами металлов, но они либо сложны, либо сами нестабильны. Новая T-NC — это не революция, а скорее уверенный шаг вперед. Прорывом можно назвать разве что сочетание нанотрубок и ZIF-8 в одной структуре. До коммерческого образца еще далеко. Но результат в 50,8% сохранения после 5000 циклов для низкоплатинового электрода — это заметно лучше среднего.

Возможный вред

Вред может быть только на стадии утилизации: углеродные нанотрубки — штука тонкая, и при попадании в окружающую среду неизвестно, как они поведут себя. Но это проблема всех наноматериалов. Сами топливные элементы экологичны, потому что водород превращается в воду. Никаких выбросов. Из потенциального вреда — добыча платины всегда грязная, но ее теперь нужно меньше, что даже хорошо.

Когда разработка появится в свободном доступе

Если вы ждете, когда сможете купить такой элемент в магазине или собрать дома — увы, не скоро. Лабораторный прототип — это одно, а серийное производство — другое. Оптимистичный прогноз: через 3-5 лет эти электроды появятся в опытных образцах автомобилей от Toyota или Hyundai. А «пощупать» руками в виде готового устройства человек сможет лет через 7-10, если технологию поддержат инвесторы.

Сравнение с аналогами

Слабое место работы

Авторы проверяли устойчивость к коррозии ускоренным методом (циклирование потенциала). Это стандарт, но он не полностью имитирует реальную работу топливного элемента. При реальной езде на автомобиле ток скачет, есть старты-стопы, влажность меняется. В таких условиях углеродные нанотрубки могут вести себя иначе. Кроме того, не указано, как долго работает элемент при постоянной нагрузке — не 5000 циклов, а, скажем, 5000 часов. Это разные вещи. Подвох в том, что «дерево» T-NC хрупкое физически: при сборке мембранно-электродного блока можно повредить ветки ZIF-8. А без них вся конструкция теряет смысл. Об этом исследователи умалчивают.

Ранее ученые нашли способ ускорить реакции для зеленой энергетики.