В РТУ МИРЭА разработали новые электродные материалы для водородно-кислородных топливных элементов. Исследователи выяснили, что пористый никель с наночастицами платины и никеля в соотношении 3:1 дает на 65% больше мощности, чем стандартные углеродные материалы.

Это открытие — важный шаг к созданию более эффективных и доступных источников чистой энергии для транспорта и портативной электроники.

В поисках экологически чистых технологий будущего особые надежды ученые возлагают на водородные топливные элементы. Эти устройства преобразуют химическую энергию водорода и кислорода напрямую в электричество, выделяя в качестве «отхода» только чистую воду. Но чтобы такая технология стала по-настоящему массовой, нужно решить ключевую задачу: сделать электроды внутри элемента более эффективными и менее дорогими.

Именно над этим и работала команда ученых из РТУ МИРЭА. Они сосредоточились на ключевых составляющих элемента — электродах, где и происходят важнейшие реакции. Вместо того чтобы использовать дорогую чистую платину, ученые создали биметаллические наночастицы, в которых платина «работает» в паре с более доступным никелем. Это уже позволяет снизить стоимость. Но главным открытием стал поиск идеальной «подложки» — основы, на которую наносятся эти активные наночастицы.

Специалисты протестировали три типа материалов: специальную углеродную бумагу, углеродную ткань и пористый никель. Каждый из них обладает разной структурой. В ходе испытаний макетов топливных ячеек выяснилось, что пористый никель с нанесенными наночастицами платины и никеля (в соотношении 3 к 1) показал хороший результат: удельная мощность достигла 67,2 мВт/см. Это значительно выше, чем у аналогов на углеродной основе.

«Мы не просто смешали два металла,— объясняет Марина Лебедева, кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии Института тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова РТУ МИРЭА.— Мы научились управлять их соотношением и размерами частиц на уровне нанометра при помощи химических процессов восстановления в обращенных микроэмульсиях. Это как построить идеальную гоночную трассу для химических реакций: пористый никель с его развитой структурой обеспечивает максимальную площадь контакта и эффективный перенос веществ, что и дает прирост мощности».

Почему пористый никель оказался лучше углерода? Все дело в его структуре. Его поверхность похожа на микроскопическую губку с огромным количеством каналов и пор. Такое строение позволяет равномерно распределить каталитические наночастицы и обеспечивает беспрепятственный «подвоз» топлива (водорода) и окислителя (кислорода) к местам, где идет реакция.

«Наша работа носит прикладной характер,— добавляет Наталья Копылова, преподаватель кафедры наноразмерных систем и поверхностных явлений РТУ МИРЭА.— Мы не просто тестировали порошки в лабораторных колбах, а собирали работающие прототипы мембранно-электродных блоков — ключевых узлов реального топливного элемента. Полученные результаты — четкие цифры по току и мощности — это прямой ориентир для инженеров, которые проектируют новые источники энергии».

Авторы приводят и научное обоснование процессов так называемого водородного охрупчивания материалов в электролизных ячейках, что позволит в будущем избежать деградации функциональных материалов для конструирования генераторов водорода с высокой энергоэффективностью.

Помимо данных исследований, научный коллектив проводит модификацию полимерных мембран — «сердца» топливного элемента — при помощи моно- и биметаллических наночастиц платиновых металлов. Мембрана отвечает за перенос катиона водорода с анода к катоду, благодаря чему ячейка и осуществляет электрохимическую работу. Модификация мембраны позволяет повысить удельную мощность ячейки и увеличить ресурс ее работы.

Важным аспектом любого результата является правильный выбор метода исследования. В связи с этим авторы впервые предложили эффективный способ оценки энергетических параметров топливных и электролизных ячеек с задействованием специальной электронной нагрузки, значительно упрощающей получение и анализ экспериментальных зависимостей.

Разработка российских ученых поможет ускорить появление водородных автомобилей с большим запасом хода, обеспечить энергией удаленные объекты или стать основой для автономного питания современной электроники.

Марина Лебедева, кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии Института тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова РТУ МИРЭА, ответила на вопросы «Ъ-Науки».

— В чем именно заключается главное открытие? Почему сочетание пористого никеля и наночастиц PtNi в соотношении 3:1 дает на 65% больше мощности по сравнению с традиционными углеродными материалами?

— Работы по синтезу биметаллических наночастиц наш коллектив начал почти десять лет назад. Сперва в качестве промотирующего металла использовали еще один металл платиновой группы — палладий или рутений. Данная методика также была эффективной, но более дорогостоящей, ведь, как известно, именно стоимость благородных металлов снижает возможность масштабной коммерциализации топливных элементов. Поэтому была интересна замена палладия и рутения на другой неплатиновый металл, в данном случае — никель. Соотношение было выбрано 3:1, по аналогии с результатами прошлых исследований с платиной—палладием и платиной—рутением. Однако мы исследовали и другие соотношения (1:1, 1:3, 1:5, 5:1 и т. д.), которые влияли на удельную мощность и время работы ячейки. Избыток платины в композите, разумеется, проявлял наибольшую активность, чем ее недостаток.

Пористый никель в качестве подложки электрода (для анода и катода) по сравнению с обычными углеродными материалами (например, углеродной тканью и углеродной бумагой) эффективнее, поскольку обладает более развитой системой пор, а следовательно, имеет лучшую адсорбционную способность к веществам-катализаторам, осаждаемым на его поверхность. В связи с этим сочетание выбранной подложки и катализатора оказалось оптимальным.

— Почему пористый никель оказался эффективнее углерода? Как его структура улучшает распределение катализатора и транспортировку газов?

— Система пор никеля позволяет ему эффективнее абсорбировать наночастицы и лучше работать в топливной ячейке.

Как известно, катализаторы на подложке с порами осаждаются не только на поверхности, но и проникают в объем носителя, что делает электрод намного активнее. У углеродных подложек основная часть катализатора концентрируется на поверхности матрицы. Именно это делает углеродные подложки менее эффективными по сравнению с пористыми.

Помимо коммерческого никеля с четко заданным размером пор (например, 200–300 микрон), мы имеем возможность формировать наноперфорированный никель. Для этого на кафедре наноразмерных систем и поверхностных явлений, где я также являюсь доцентом по внутреннему совместительству, есть специально разработанная пилотная установка, позволяющая на различной глубине подложки создавать поры с контролируемыми размерами (до 10 микрон и менее).

В данный момент мы также проводим испытания на данных носителях. Можно предполагать, что подобные материалы будут обладать высокими энергопараметрами в условиях работы топливной ячейки.

— Насколько новая разработка снижает стоимость производства? Позволяет ли замена чистой платины на биметаллические частицы с никелем сделать технологию доступнее для массового рынка?

— Вне всяких сомнений, использование как биметаллических катализаторов, так и новых подложек позволит разрабатывать более эффективные ячейки. Пока мы еще используем платину в катализаторе, рано говорить об общем снижении стоимости производства ячейки в целом. Над этой задачей работают научные коллективы по всему миру, ведь проблема создания автономных источников энергии, которые в будущем позволят заменить традиционные, является крайне актуальной. Однако дальнейшее совершенствование технологии позволит снизить содержание платины в катализаторе до минимального, что скажется на общей стоимости всего элемента.

— Как ученым удалось достичь точного контроля над размером и составом наночастиц? В чем суть метода обращенных микроэмульсий?

— Метод синтеза наночастиц в обращенных микроэмульсиях не является новым: он получил распространение еще с начала 1980-х годов. Мицеллы представляют собой наноразмерные капли воды в неполярном растворителе, покрытые слоем поверхностно-активного вещества (ПАВ). При варьировании соотношения вода:ПАВ от 1 до 10 можно влиять на размер водного пула, в котором идет образование наночастиц платиновых металлов, и, следовательно, контролировать их размер. Это очень подробно описано в наших публикациях в российских и зарубежных журналах за последние годы. Выбор ПАВ также может повлиять на размер частиц: в анионных ПАВ образование частиц происходит в пуле мицеллы, в неионогенных — во внешней оболочке, которая имеет меньший размер, чем пул (его еще можно назвать «ядром» мицеллы). Поэтому в случае использования второго типа ПАВ можно получать частицы с еще меньшим размером (до 2–3 нанометров). Таким образом, еще на моменте формирования катализатора можно добиться минимальных размеров частиц, что лучшим образом скажется на эффективности и производительности топливной ячейки, работающей на данных материалах.

— Как новая технология решает проблему «водородного охрупчивания»? Почему это важно для долговечности устройств?

— Существует процесс, вызывающий деградацию конструкционных металлов в контакте с водородом. Это наводораживание металлов, что может служить причиной деструкции электродов и снижения энергохарактеристик водородных ячеек. В нашем же случае, поскольку речь идет о портативных установках, а не о промышленных, данный процесс имеется в незначительной степени за счет использования модифицированных микроколичествами платиновых металлов электродов при конструировании прототипов топливных ячеек.

— Что уже создано кроме новых электродов? Как модификация полимерных мембран и новая методика тестирования (электронная нагрузка) дополняют основное открытие?

— Помимо электродных материалов (анода и катода) на различных пористых подложках, допированных биметаллическими наночастицами, наш коллектив занимается разработкой модифицированных мембран. Мембрана представляет собой ключевую часть топливной ячейки, поскольку с ее помощью происходит перенос иона с анода на катод, в результате чего и осуществляется токообразующая реакция водородно-кислородного элемента. Самой распространенной мембраной в подобных ячейках является коммерческая мембрана типа «Нафион» (фирмы DuPont) на основе фторуглеродных цепей с сульфонной группой. В настоящее время это одна из наиболее эффективных и более дорогих подложек. Есть российские аналоги (МФ4-СК), но они не дают таких высоких значений. Наш коллектив также много лет проводит исследования по модификации мембран типа «Нафион» моно- и биметаллическими наночастицами платиновых металлов, а также по созданию комбинированных мембран, включающих полимерную и углеродную основу (сажу, углеродные нанотрубки, графен). Установлено, что использование подобных типов мембран также повышает параметры топливной ячейки. Таким образом, платиновые наночастицы при создании топливной ячейки могут использоваться в двух вариантах: наноситься на электроды (анод и катод) или на мембрану (с обеих сторон), что также будет отражаться на параметрах. Использование обеих методик в одном макете, разумеется, еще более повысит характеристики топливной ячейки, но, как следствие, повысит ее стоимость за счет большего использования дорогостоящей платины.

В исследованиях топливных ячеек мы начали использовать автоматизированную электронную нагрузку. Это позволило значительно облегчить как сами исследования, так и расчеты. Данный прибор сочетает в себе несколько устройств и помогает получать вольт-амперные характеристики топливной ячейки буквально за несколько минут.

— Где и когда эта технология может найти применение? Для каких целей — автомобили, электроника или удаленные объекты — она подойдет в первую очередь?

— Наши технологии создания как модифицированных мембран, так и электродов в будущем позволят создавать топливные ячейки с повышенными характеристиками и ресурсом работы. Для промышленных установок используют совсем другие материалы, которые могут работают при высоких температурах и режимах. Поэтому в нашем случае речь идет только о портативных и мобильных установках, не требующих высоких мощностей, но не менее необходимых в условиях современного общества.

Пресс-служба РТУ МИРЭА