Топливные элементы вполне могут заменить батареи в качестве источника энергии для электромобилей. Они потребляют водород, газ, который можно производить, например, из излишков электроэнергии ветряных электростанций. Однако платина, используемая в топливных элементах, редка и чрезвычайно дорога, что до сих пор было ограничивающим фактором в приложениях.
Исследовательская группа из Технического университета Мюнхена (TUM) под руководством Роланда Фишера, профессора неорганической и металлоорганической химии, Александра Бондаренко, Физики преобразования и хранения энергии, и Алессио Гальярди, профессора моделирования наносистем для преобразования энергии, оптимизировала систему размер частиц платины до такой степени, что частицы работают на уровне, вдвое превышающем лучшие процессы, коммерчески доступные сегодня.
Идеальный вариант: платиновое «яйцо» размером всего в один нанометр
В топливных элементах водород реагирует с кислородом с образованием воды, при этом вырабатывается электричество. Для оптимизации этого преобразования требуются сложные катализаторы на электродах.
Платина играет центральную роль в реакции восстановления кислорода.
В поисках идеального решения команда создала компьютерную модель всей системы.
Центральный вопрос: насколько маленьким может быть кластер из атомов платины и при этом иметь высокоактивный каталитический эффект?? «Оказывается, есть определенные оптимальные размеры для платиновых стопок», – объясняет Фишер.
Идеально подходят частицы размером около одного нанометра, содержащие около 40 атомов платины. «Платиновые катализаторы такого размера имеют небольшой объем, но большое количество высокоактивных пятен, что приводит к высокой массовой активности», – говорит Бондаренко.
Междисциплинарное сотрудничество
Междисциплинарное сотрудничество в Исследовательском центре катализа (CRC) было важным фактором в результатах исследовательской группы.
Сочетание теоретических возможностей моделирования, совместных обсуждений и физических и химических знаний, полученных в результате экспериментов, в конечном итоге привело к модели, показывающей, как можно разработать катализаторы с идеальной формой, размером и распределением компонентов по размеру.
Кроме того, CRC также обладает опытом, необходимым для создания и экспериментального тестирования рассчитанных платиновых нанокатализаторов. «Это требует многого с точки зрения искусства неорганического синтеза», – говорит Катрин Кратцл вместе с Батыром Гарлыевым и Марлоном Раком, одним из трех ведущих авторов исследования.
В два раза эффективнее лучших традиционных катализаторов
Эксперимент точно подтвердил теоретические предсказания. «Наш катализатор вдвое эффективнее лучшего обычного катализатора на рынке», – говорит Гарлыев, добавляя, что этого все еще недостаточно для коммерческого применения, поскольку текущее сокращение количества платины на 50 процентов должно быть увеличено до 80 процентов.
Помимо сферических наночастиц, исследователи надеются на еще более высокую каталитическую активность за счет значительно более сложных форм. И компьютерные модели, созданные в партнерстве, идеально подходят для такого моделирования. «Тем не менее, более сложные формы требуют более сложных методов синтеза», – говорит Бондаренко.
Это сделает вычислительные и экспериментальные исследования все более и более важными в будущем.