Новосибирские ученые нашли замену платине в топливных элементах

Химики из Новосибирского государственного университета и Института неорганической химии СО РАН разработали твердый раствор кобальта и иридия - новое соединение, которое может служить катализатором в различных топливных элементах. Полученное соединение более устойчиво, чем современные используемые катализаторы.

Твердый раствор кобальта-иридия под микроскопом. Изображение с сайта nsu.ru

О разработке рассказывает сотрудник лаборатории синтеза и физико-химических исследований новых композитных катализаторов НГУ Евгений Филатов (входит в состав лаборатории химии редких платиновых металлов Института неорганической химии СО РАН).

- Мы исследуем процесс разложения химических соединений под воздействием температуры (термолиза) для того, чтобы разработать методику синтеза сплавных частиц и их применение в каталитических реакциях, — рассказывает Евгений Филатов. Один из вариантов таких соединений - наноразмерные твердые растворы металлов кобальта и иридия. Эти растворы могут использоваться в каталитических реакциях топливного элемента.

Самая важная часть топливного элемента с твердополимерным электролитом - это мембрана, на которую нанесён катализатор. С одной стороны мембраны подается топливо (водород, метанол, муравьиная кислота и т. д.), с другой - воздух. На аноде происходит реакция окисления подаваемого топлива, и через мембрану переносится положительный заряд. На катоде идет реакция восстановления кислорода с образованием воды. Равный по величине ток отрицательно заряженных частиц (электронов) идет через внешнюю цепь, совершая полезную работу (например, включение лампочки или зарядка телефона). Топливные элементы характеризуются высоким КПД (от 50%) и возможностью неограниченного по времени использования при непрерывной подаче топлива и окислителя. Однако для протекания электрохимических реакций на электродах необходим катализатор

Широкое распространение в качестве катализатора получила платина. Но в процессе использования она либо укрупняется, либо растворяется и уходит из реакционной среды. Стоимость электродов, содержащих платину, составляет больше 70% стоимости самого топливного элемента.

- Иридий в среднем в два раза дешевле платины. За счет добавления в раствор неблагородного металла кобальта стоимость катализатора ещё больше снижается. Помимо этого, проявляется синергический эффект - эффективность катализатора возрастает в результате слияния отдельных частей в единую систему. Кобальт-иридиевый сплав работает так же, как платина, и мы имеем ту же эффективность, но при низкой стоимости и более продолжительном сроке службы, — поясняет Филатов.

По словам ученого, обычно получение массивного твёрдого раствора металлов происходит следующим образом: металлическая стружка гомогенизируются до однородной массы с помощью высоких температур, затем снова измельчается, и операция повторяется необходимое число раз до завершения взаимной диффузии атомов металлов. Но этот метод занимает много времени, и в ИНХ СО РАН используют термолиз двойной комплексной соли металлов, что позволяет ускорить процесс с месяцев до нескольких часов и при этом получить наноразмерные сплавные частицы.