Перейти к основному содержанию
Прямой эфир
Главный слайд
Начало статьи
Не всё то платина: ученые создают мощные батареи с оксидом графена
2021-07-20 20:37:40">
2021-07-20 20:37:40
Озвучить текст
Выделить главное
вкл
выкл

Ученые НИЦ «Курчатовский институт» разработали материал, который улучшит свойства батарей для электромобилей. Источники энергии этого типа уже сейчас используют в серийном производстве электрокаров, а в будущем потребность в них будет только увеличиваться. Катализатор на основе нового материала позволит повысить стабильность и максимальную мощность топливных элементов на 17%, причем снизит стоимость их производства за счет экономии платины.

Мощнее и дешевле

Сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» разработали новый катализатор для топливных элементов с протообменной мембраной, которые обычно используют в качестве батарей в электромобилях и беспилотниках. Созданный учеными материал состоит из наночастиц платины, расположенных на поверхности восстановленного оксида графена. Его использование может увеличить максимальную удельную мощность источников энергии на 17%. Статья о методе создания катализатора опубликована в журнале Catalysts. Работа ученых позволит существенно снизить количество платины, необходимое для производства топливных элементов, что заметно уменьшит их стоимость. Грамм платины сегодня стоит около 2,5 тыс. рублей.

— Нам удалось существенно увеличить стабильность электрокатализатора для кислородного электрода и повысить удельную мощность топливного элемента в целом, — рассказал старший научный сотрудник отделения электрохимических и водородных технологий Курчатовского комплекса реабилитации и нераспространения НИЦ «Курчатовский институт» Артем Пушкарев.

платина
Фото: ТАСС/Павел Смертин

Речь о топливном элементе, который позволяет преобразовывать химическую энергию топлива в электричество. Он состоит из двух электродов, между которыми расположен электролит, — протонпроводящая мембрана. На поверхности электродов происходит окисление водорода и восстановление кислорода. Мембрана обеспечивает перенос протонов от одного электрода к другому, а электроны двигаются во внешней цепи, производя электрическую энергию. Чтобы повысить скорость этих реакций, используются катализаторы, которые обеспечивают высокую плотность тока и высокую удельную мощность устройства.

Такие топливные элементы обладают самой высокой удельной мощностью среди всех химических источников энергии. Они компактны и экологичны: в результате использования образуется только обычная вода. Сегодня этими элементами оснащают электромобили и беспилотные летательные аппараты, поэтому практический потенциал разработки ученых огромен. На рынке уже представлены серийные автомобили с подобными источниками электричества.

Платиновая лихорадка

В разработке таких топливных элементов есть сложность: мембрана, через которую идет обмен протонами, создает вокруг себя кислую среду, и в качестве катализаторов или электродов можно использовать только ограниченный набор материалов, стойких к таким условиям. Поэтому и возникает необходимость в платине. В применяемых сегодня топливных элементах количество этого металла на один квадратный сантиметр поверхности электрода может достигать нескольких миллиграмм. Чтобы снизить расход материала, наночастицы платины наносят на поверхность углеродного носителя — сажи. Однако из-за происходящих химических реакций сажа окисляется, что вызывает деградацию электродов, ограничивая ресурс и эффективность работы всего топливного элемента.

машины
Фото: ИЗВЕСТИЯ/Александр Полегенько

В Курчатовском институте сосредоточились на поиске альтернативного саже материала, который мог бы служить носителем наночастиц платины, ускоряющих реакцию восстановления кислорода. Материал должен был максимально повысить плотность тока в устройстве и свести к минимуму потребность в платине. Основой для него мог бы стать графен, но он, как и платина, слишком дорог. Поэтому ученые остановили свой выбор на производной графена — восстановленном оксиде графена. По сравнению с сажей он более стабилен.

Из-за особенностей структуры для восстановленного оксида графена нельзя было использовать классические методы синтеза катализаторов на основе платины. Поэтому ученые восстановили оксид графена в одной среде с наночастицами металла и получили нужный материал. Разработка позволит снизить потребность в платине для топливных элементов до нескольких десятых миллиграмма на квадратный сантиметр электрода.

С точки зрения каталитических свойств в топливных элементах восстановленный оксид графена работает не хуже, чем ранее использовавшиеся катализаторы на основе платины, отметил заведующий лабораторией физического материаловедения Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта Валерий Савин.

батареи
Фото: ТАСС/EPA/WU HONG

Разработанные катализаторы могут найти применение в качестве альтернативных источников энергии в топливных элементах, используемых для бытовых целей, считает профессор кафедры физической химии и хроматографии Самарского университета им. С.П. Королева Анджела Буланова.

— Разработанный авторами метод получения катализатора также может быть использован в технологиях создания новых материалов, обладающих высокими каталитическими свойствами, — сказала эксперт.

Такие материалы могут применяться для ускорения различных химических процессов в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, заключила она.

Читайте также