Не всё то платина: ученые создают мощные батареи с оксидом графена

Почему они будут на порядок дешевле аналогов

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.

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.

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.

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.