Ударили графеном по платине: в России нашли новый способ сэкономить на топливных элементах
Ученые из НИУ «МЭИ» использовали современные методы квантово-химического моделирования для изучения системы «водород-платина-графен». Они показали, как влияние графена на электрокаталитические свойства платины и как оптимизировать геометрию этой системы для достижения максимальной активности катализатора при минимальном расходе платины.
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.
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.
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.
— 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.
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.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Таинственная «дверь» обнаружена в Антарктиде
Теория заговора против официальной науки: кто окажется прав?...
15 000 американских городов станут призраками в ближайшие десятилетия
Ученые уверены, что «там просто некому будет жить»....
Не по вкусу: комары пьют кровь не у всех подряд
Полезно понимать для защиты от опасных насекомых....
НЛО управляют армией беспилотников, которые следят за военными базами США
Загадочные дроны буквально терроризируют американских военных летчиков....
Странный случай: укус змеи подействовал на австралийца спустя 15 часов
Только 10% укушенных на самом деле получают дозу яда....
Собаки поднялись на новую ступень эволюции
Третья стадия одомашнивания — что это значит?...
20 млн жителей США могут остаться без воды
Великие озера поразила небывалая засуха....
Первые оседлые люди в Европе: в Сербии обнаружили дом возрастом 8000 лет
Обгорелое жилище перевернуло представления о ранних поселенцах....
Вспененный гель быстро останавливает кровотечение и снижает риск заражения
Учёные изобрели спасающую жизнь «повязку»....
Кошки могут понимать многие слова
Но для экспериментов голос хозяина произносил бессмыслицу....
Google срочно переходит на атомную энергию
АЭС опасны, но у Америки просто нет выхода....
Первая частная космическая станция появится на орбите в 2025 году
Комплекс, созданный с учетом проблем астронавтов, потянул на миллиард долларов....
Американские ученые отрицают ускорение глобального потепления
Формально, так и есть, но это ещё не всё....
Окаменелости в Индии рассказали о самом раннем случае разделки слонов людьми
Это произошло не менее 300 тысяч лет назад....
Детекторы ИИ ложно обвинили студентов в плагиате
Ничто не ново на всё 100%....
Режиссер фильма «Я, робот» утверждает, что Илон Маск крадет его идеи
Смех смехом, но новые проекты Маска удивительно похожи на кадры из фильма....