
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

Прогноз-2025: Кто первым нажмет красную кнопку в Третьей мировой?
Эксперты говорят: ядерная война может начаться гораздо быстрее и внезапнее, чем считалось до этого....

Ученые поражены: у растений есть секретный второй набор корней глубоко под землей
Это не только сенсация в ботанике, это вообще переворот в науке....

Найдено идеальное место для жизни на Марсе
По словам ученых, оно похоже… на нашу Сибирь....

Тайна разгадана: стало известно, почему большинство кошек предпочитают спать строго на одном боку
Оказалось, что это древний защитный механизм, которому миллионы лет....

Эксперты обнаружили существ, переживших прямой удар астероида, который уничтожил динозавров
Почему конец света — это вовсе не повод, чтобы вымирать?...

Уникальная находка в Нидерландах: археологи обнаружили римский лагерь далеко за пределами Империи
Как лидар и искусственный интеллект нашли объект-«невидимку» II века....

Ученые хотят создать хранилище микробов, чтобы те… не вымерли
Звучит кошмарно, но на самом деле от этого зависит судьба всего человечества....