Ученые из Самары и Москвы совместно с коллегами из Китая и Индии разрабатывают новые материалы для создания дешёвых водородных топливных элементов.
В отличие от обычных батареек такие источники электропитания более эффективны (КПД, в зависимости от типа, может достигать 70-80%) и экологичны — во время выработки электричества из топливного элемента в окружающую среду выделяется лишь вода или водяной пар. Эта технология давно известна и даже получила применение, например, в космической технике и ряде других сфер. Однако массовое использование топливных элементов сдерживается из-за применяемой в них дорогостоящей платины.
«Щелочные мембранные топливные элементы — это сейчас очень актуальная тема. К настоящему моменту накоплен опыт использования таких источников электроэнергии в самолетах, космических аппаратах, на промышленных производствах, в быту. Они эффективны, экологичны, у них большой диапазон рабочих температур, но они очень дорогие, потому что в них используется платина — она наилучший катализатор, восстанавливающий кислород, и сейчас ученые практически во всем мире занимаются поиском более дешевых материалов для катализаторов, чтобы можно было удешевить топливные элементы и сделать их использование более массовым», — рассказала профессор кафедры физической химии и хроматографии Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П.Королёва Анджела Буланова. Под ее руководством работает российская группа в составе международного коллектива исследователей, в который вошли также ученые из Китая и Индии.
Программа исследований рассчитана на три года, выделен грант РФФИ по линии БРИКС с объемом финансирования до 5 миллионов рублей ежегодно. Китай в международном консорциуме исследователей представляют ученые Пекинского университета химических технологий, Индию — специалисты Международного центра передовых исследований в области порошковой металлургии и новых материалов. Россия представлена учеными Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П.Королёва, Самарского государственного технического университета и Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН (Москва).
Согласно материалам гранта, китайские ученые отвечают за теоретические вычисления, проведение ряда экспериментов и создание щелочной анионообменной мембраны топливного элемента. Российская группа сосредоточится на разработке высокоэффективных неплатиновых электрокатализаторов и проверке их эксплуатационных свойств. Индийские специалисты изготовят мембранную сборку электродов и изучат ее микроструктуру для оптимизации характеристик топливных элементов.
«В мире существует немало идей по поводу создания неплатиновых катализаторов, — отметила Анджела Буланова. — Наша идея в том, что мы предлагаем делать носитель для катализаторов на основе мезопористых соединений — материалов с микроскопическими порами диаметром от 2 до 4 нанометров. Эти соединения мы сможем допировать, то есть, встраивать при синтезе туда какие-то элементы, которые улучшают каталитические свойства, например, азот. Мы будем встраивать туда также редкоземельные элементы — диспрозий, лантан, тербий, и будем испытывать получаемые катализаторы на специальном оборудовании».
Идеи ученых уже нашли свое отражение в ряде научных работ. Кроме проведения множества экспериментов и разработки методики производства неплатиновых катализаторов российским ученым также предстоит провести большое количество теоретических расчетов.
«Также будет очень большая, просто огромная теоретическая часть исследований. Нужно будет рассчитать, как в получаемых катализаторах структурируются, распределяются активные центры, на которых, собственно, и идет химическая реакция, и как сделать, чтобы катализатор имел наибольшую плотность этих активных центров. Для этих расчетов планируется задействовать мощности Суперкомпьютерного центра нашего университета», — сказала Анджела Буланова.