Новости

Новый золотой стандарт в разработке катализаторов топливных элементов

Растущий общественный интерес к транспорту с PEMFC

Транспортные средства, работающие на топливных элементах с полимерными электролитными мембранами (PEMFC), энергетически эффективны и экологичны, но, несмотря на растущий общественный интерес к транспорту с PEMFC, текущие характеристики материалов, используемых в топливных элементах, ограничивают их широкую коммерциализацию.

Ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) возглавили группу по исследованию реакций в PEMFC, и их открытия послужили основой для создания технологии, которая может приблизить топливные элементы на один шаг к реализации их полного рыночного потенциала.

PEMFC полагаются на водород в качестве топлива, который окисляется на анодной стороне элемента в результате реакции окисления водорода, в то время как кислород из воздуха используется для реакции восстановления кислорода (ORR) на катоде. Благодаря этим процессам топливные элементы производят электричество для питания электродвигателей в транспортных средствах и других приложениях, выбрасывая воду в качестве единственного побочного продукта.

Наноразмерные частицы на основе платины являются наиболее эффективными материалами для стимулирования реакций в топливных элементах, включая ORR в катоде. Однако, помимо своей высокой стоимости, наночастицы платины страдают от постепенной деградации, особенно в катоде, что ограничивает каталитические характеристики и сокращает срок службы топливного элемента.

Исследовательская группа, в которую входила Окриджская национальная лаборатория Министерства энергетики США и несколько университетских партнеров, использовала новый подход для изучения процессов растворения платины на атомном и молекулярном уровне. Исследование позволило им идентифицировать механизм деградации во время катодной ORR, и это понимание помогло разработать нанокатализатор, в котором золото используется для предотвращения растворения платины.

«Растворение платины происходит на атомном и молекулярном уровне во время воздействия высококоррозионной среды в топливных элементах», — сказал Воислав Стаменкович, старший научный сотрудник и руководитель группы по преобразованию и хранению энергии в отделе материаловедения Аргонна (MSD). «Эта деградация материала влияет на долговременную работу топливных элементов, создавая препятствия для внедрения топливных элементов на транспорте, особенно в тяжелых приложениях, таких как грузовики дальнего следования».

Начиная с малого

Ученые использовали ряд специализированных инструментов для определения характеристик, чтобы исследовать растворение четко определенных структур платины в монокристаллических поверхностях, тонких пленках и наночастицах.

Читайте и другие НОВОСТИ О ВОДОРОДЕ:  Honeywell приобретает активы производителя водородных топливных элементов у дочерней компании Ballard

«Мы разработали возможности для наблюдения процессов в атомарном масштабе, чтобы понять механизмы, ответственные за растворение, и определить условия, при которых это происходит», — сказал Пьетро Папа Лопес, ученый из Аргоннской лаборатории исследований и первый автор исследования. «Затем мы внедрили эти знания в конструкцию материалов, чтобы уменьшить растворение и увеличить долговечность».

Команда исследовала природу растворения на фундаментальном уровне с помощью поверхностно-специфических инструментов, электрохимических методов, масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, компьютерного моделирования и атомных сил, сканирующих туннельных микроскопов и просвечивающих микроскопов высокого разрешения.

PEMFCАргоннская национальная лаборатория 

Кроме того, ученые полагались на высокоточный подход к синтезу для создания структур с четко определенными физическими и химическими свойствами, гарантируя, что взаимосвязи между структурой и стабильностью, обнаруженные при изучении 2D-поверхностей, переносятся на создаваемые ими 3D-наночастицы.

«Мы провели эти исследования, от монокристаллов до тонких пленок и наночастиц, которые показали нам, как синтезировать платиновые катализаторы для увеличения долговечности», — сказал Лопес. «И изучив эти различные материалы, мы также определили стратегии использования золота для защиты платины».

Идя за золотом

Поскольку ученые раскрыли фундаментальную природу растворения, наблюдая за его возникновением в нескольких сценариях испытательных стендов, команда использовала знания, чтобы смягчить растворение с добавлением золота.

Исследователи использовали возможности просвечивающей электронной микроскопии в Аргоннском Центре наноразмерных материалов и в Центре науки о нанофазных материалах в Ок-Риджской национальной лаборатории, обоих Управлениях научных учреждений Министерства энергетики США, для изображения наночастиц платины после синтеза, а также до и после операции. Этот метод позволил ученым сравнить стабильность наночастиц с включенным золотом и без него.

Читайте и другие НОВОСТИ О ВОДОРОДЕ:  Китайское правительство работает над политикой водородных топливных элементов

Команда обнаружила, что контролируемое размещение золота в ядре способствует расположению платины в оптимальной структуре поверхности, которая обеспечивает высокую стабильность. Кроме того, золото выборочно наносилось на поверхность для защиты определенных участков, которые команда определила как особо уязвимые для растворения. Эта стратегия исключает растворение платины даже в самых маленьких наночастицах, используемых в этом исследовании, за счет удерживания атомов платины прикрепленными к участкам, где они все еще могут эффективно катализировать ORR.

Понимание на атомарном уровне

Понимание механизмов растворения на атомном уровне важно для выявления корреляции между потерей платины, структурой поверхности и размером и соотношением наночастиц платины, а также для определения того, как эти отношения влияют на долгосрочную работу.

PEMFCНаночастицы платины

«Новой частью этого исследования является выяснение механизмов и полное снижение растворения платины за счет конструкции материала в различных масштабах, от монокристаллов и тонких пленок до наночастиц», — сказал Стаменкович. «Это понимание, которое мы получили в связи с разработкой и синтезом наноматериала, решает проблемы долговечности топливных элементов, а также способность определять и количественно определять растворение платинового катализатора в других процессах способствующих снижению производительности топливных элементов».

Команда также разрабатывает алгоритм прогнозирования старения для оценки долговечности наночастиц на основе платины и обнаружила 30-кратное улучшение долговечности по сравнению с наночастицами без золота.

По материалам: sciencedaily.com

Читайте также:
Топливные элементы для водородных автомобилей
Водородная стратегия России — работа в стадии разработки
Рынок производства водорода следует устойчивой кривой роста

Поделиться:
Теги

Похожие статьи

Добавить комментарий

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

4 × четыре =

Back to top button
RussiaEnglish
Close
Close
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять
Политика конфиденциальности