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.

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.


— 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.