Топливные элементы — устройства, которые преобразуют химическую энергию водорода и кислорода в электрическую энергию без выделения вредных выбросов. Они могут быть использованы для питания автомобилей, домов и портативной электроники. Однако топливные элементы имеют один существенный недостаток — они требуют большого количества платины, дорогого и дефицитного металла, который служит катализатором для химических реакций на электродах.
Ученые из НИУ «МЭИ» нашли способ решить эту проблему с помощью математической модели наноструктурных электрокатализаторов на основе графена — двумерного углеродного материала с уникальными свойствами. Они показали, что платина может быть распределена по поверхности графена таким образом, чтобы увеличить ее эффективность и уменьшить расход. Для того, чтобы разработать математическую модель наноструктурных электрокатализаторов на основе графена, ученые использовали метод функционала плотности (МФП) — один из самых точных и распространенных методов квантовой химии.
Как работает топливный элемент с протонообменной мембраной?
Существует несколько типов топливных элементов, но самым распространенным является топливный элемент с протонообменной мембраной (ПЭМТЭ). Этот тип топливного элемента использует твердую полимерную мембрану в качестве электролита — вещества, которое проводит заряженные частицы между двумя электродами — анодом и катодом.
На аноде происходит окисление водорода — он разделяется на протоны (положительно заряженные частицы) и электроны (отрицательно заряженные частицы). Протоны проходят через мембрану на катод, а электроны движутся по внешней цепи, создавая электрический ток. На катоде происходит восстановление кислорода — он реагирует с протонами и электронами, образуя воду — единственный побочный продукт топливного элемента.
Для того чтобы эти реакции проходили быстро и эффективно, на поверхности электродов наносят катализатор — вещество, которое ускоряет химические процессы, не участвуя в них. Самым активным и стабильным катализатором для топливных элементов является платина — благородный металл, который не подвержен коррозии и отравлению. Однако платина имеет два существенных недостатка: она очень дорогая и редкая. Поэтому ученые ищут способы снизить ее потребление в топливных элементах, не ухудшая их работоспособность.
Графен — идеальный носитель для платины
Один из способов сэкономить на платине — использовать ее в виде наночастиц, равномерно распределенных по поверхности углеродного носителя. Такой подход позволяет увеличить активную поверхность платины и уменьшить ее загрузку на электроде. Однако выбор носителя не менее важен, чем выбор катализатора. Носитель должен обладать высокой электропроводностью, химической стабильностью, хорошей адгезией к платине и мембране, а также способствовать формированию оптимальной геометрии наночастиц.
Один из наиболее перспективных материалов для этой цели — двумерный углеродный материал, состоящий из одноатомного слоя атомов, соединенных в гексагональную решетку. Графен обладает рядом уникальных свойств: он самый тонкий и прочный материал в мире, он имеет высокую тепло- и электропроводность, он гибкий и прозрачный, он химически инертен и биосовместим. Кроме того, графен может изменять свою структуру под воздействием различных факторов, например давления, температуры или электрического поля.
Кафедра Химии и электрохимической энергетики НИУ «МЭИ» продолжает работу по усовершенствованию электрокатализаторов. Сейчас наша основная задача — выпуск полностью отечественных энергетических установок на базе топливных элементов, разработанная модель делает большой шаг вперед к достижению этой цели. Кроме того, результаты работы по данному направлению позволят уменьшить потребление платины и сделать производство более дешевым и доступным
— ректор НИУ «МЭИ» Николай Рогалев.
Математическую модель наноструктурных электрокатализаторов для топливных элементов разработала научная группа кафедры Химии и электрохимической энергетики НИУ «МЭИ» под руководством профессора Сергея Григорьева в рамках реализации программы научных исследований «Приоритет 2030: Технологии будущего» в 2022–2024 гг.
