​Ученые из Хакасского государственного университета, Сибирского федерального университета и Института физики Сибирского отделения РАН (оба в Красноярске) нашли оптимальный по своей структуре и параметрам нанокомпозит из платины и палладия, пригодный для использования в качестве катализатора в топливных элементах. В настоящее время для этого используется заметно более дорогая платина. Соответствующая статья опубликована в The Journal of Physical Chemistry.

Сейчас использование топливных батарей резко ограничивается их стоимостью - например, машины на их основе дороже даже электромобилей (например, Toyota Mirai заметно дороже Tesla Model 3), не говоря уже о машинах с двигателями внутреннего сгорания. Вкупе с отсутствием готовой водородной инфраструктуры ведет к низкой популярности таких технологий в целом. Ключевая причина дороговизны топливных батарей - использование ими очень дорогих материалов, в частности платины.

Водородные топливные элементы обладают хорошим КПД (более 50 процентов), а в качестве выхлопа дают воду. Для катализации химической реакции на электродах топливных элементов обычно используется платина, стоимость которой составляет до 70 процентов от общей цены устройства.

Авторы новой работы решили исследовать, как лучше всего заменить ее. По их расчетам, смесь платины и палладия может иметь ту же катализирующую эффективность, если "размазать" меньшее количество платины на большую удельную поверхность. Для этого в их схеме предлагается формирование наночастицы, в которой ядро из палладия покрыто атомарным в толщину слоем платины.

Исследователи протестировали каталитическую эффективность таких наночастиц из платины и палладия различного строения и структуры при помощи квантово-химического моделирования. В итоге им удалось определить структуру наночастиц, в которых перераспределение электронной плотности между ядром и оболочкой будет давать наибольшую отдачу, максимизируя каталитическую активность.

Чтобы понять, какими должны быть оптимальные размеры наночастиц из палладия с тонким платиновым покрытием, авторы новой работы смоделировали структурные изменения, которые произойдут с ними внутри работающей топливной батареи, где температура в норме поднимается до 700−900 кельвинов. Оказалось, что при диаметре наночастиц от 2,5 нанометров и более структурные трансформации при нагреве затрагивают примерно 40 процентов поверхности. А вот для наночастиц диаметром от 2,0 нанометров и менее (до 1,5 нанометров) трансформация затрагивает всю поверхность, и в итоге наночастицы приобретают форму двадцатигранника, что дает максимально возможный при этом количестве платины поверхностный отрицательный заряд. Таким образом достигается лучшая возможная каталитическая активность.

Исходя из моделирования, вне зависимости от исходной формы наночастиц, достаточно сделать их не более двух нанометров в диаметре, чтобы получить при нагреве внутри топливной батареи частицы наиболее подходящей формы и производительности.

Похожие новости

  • 14/05/2018

    Сибирские ученые опробовали новый метод исследования полупроводниковых наночастиц

    ​Сотрудники Сибирского федерального университета и Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН применили новый метод для изучения наночастиц из кадмия и теллура. Они воспользовались особенностью данного соединения, взаимодействие которого со светом меняется в зависимости от магнитного поля.
    219
  • 24/01/2017

    Красноярские ученые рассчитали, как поймать свет с помощью диэлектрических шариков

    ​Теоретические расчеты красноярских физиков показали, что цепочка из одинаковых диэлектрических шариков может быть использована в качестве ловушки для электромагнитных волн. Такая цепочка будет вести себя как световод, который улавливает и захватывает свет, падающий на него под любым углом.
    764
  • 15/02/2017

    Красноярские ученые создали уникальный прибор для телескопа будущего

    Ученые в Красноярске создали уникальный прибор для телескопа, который планируют запустить космос не раньше 2025 года. Как сообщили в пресс-службе правительства края, ученые Института физики им Л.В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН создали прибор для измерения термооптических свойств защитных покрытий и материалов космических аппаратов при сверхнизких температурах.
    912
  • 19/09/2017

    Квантовые симуляторы: как ученые создают искусственные миры

    ​Представьте, что вы хотите рассмотреть быструю, но хрупкую бабочку. Пока она порхает, детально изучить ее довольно трудно, поэтому нужно взять ее в руки. Но как только она оказалась в ваших ладонях, крылышки смялись и потеряли цвет.
    565
  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    314
  • 15/12/2017

    Химики создали новый класс люминофоров для электронной промышленности

    ​Международный коллектив химиков из Китая, России и Японии синтезировал новое кристаллическое вещество на основе оксидов редкоземельных металлов, а также описал его структуру и свойства. Расшифровка рентгенограммы нового соединение установила, что он относится к новому, ранее неизвестному классу.
    522
  • 20/10/2017

    Красноярские ученые разработали технологию управляемого синтеза магнитных нанопорошков

     Ученые Института физики им. Л.В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН (КНЦ СО РАН) научились синтезировать магнитные наночастицы с ядром из никеля и непроводящей ток углеродной оболочкой.
    456
  • 21/04/2017

    Красноярские физики получили нанодисперсные порошки для создания аккумуляторов водорода

    Ученые Сибирского федерального университета и Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН разработали технологию синтеза нанодисперсных порошков магния, которые могут стать перспективным материалом для изготовления аккумуляторов водорода для автомобильного транспорта.
    997
  • 16/05/2017

    Ученые СФУ разработали наиболее эффективный материал для аккумулирования водорода

    Красноярские ученые получили новый материал для хранения водорода, сообщила пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ). Материал на основе гидрида магния может хранить массу водорода, составляющую около 7% его собственной массы, и это рекордное значение емкости для всех аналогичных материалов.
    623
  • 13/04/2018

    Дилатометр измерит деформации космических материалов в вакууме

    Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) разработали измерительную ячейку для исследования свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю.
    216