Сегодня водород является важнейшей составляющей политики перехода энергетики России в углеродно-нейтральное состояние, о котором не раз заявлял президент Российской Федерации Владимир Путин. Водородная энергетика рассматривается отдельным направлением в Энергетической стратегии РФ опубликованной 12 апреля 2025 года которое позволяет сохранять технологический суверенитет нашей страны. Один из наиболее известных компонентов водородной энергетики – водородо-воздушный топливный элемент, который может использоваться в качестве энергоустановки в транспорте и портативных устройствах. Ученые Южного федерального университета совместно с коллегами из Сколтеха и ИК СО РАН сделали важный шаг вперед, улучшив катализаторы, которые определяют эффективность этих систем.
В основе работы любого водородного топливного элемента лежит катализатор, ускоряющий ключевые химические реакции. Традиционно для этого используется платина — высокоэффективный, но чрезвычайно дорогой металл. Тем не менее российским исследователям удалось найти решение этой проблемы: они создали катализатор, превосходящий традиционные коммерческие продукты по стабильности и активности за счет чего возможно сократить содержание платины.
Секрет — в особой углеродной подложке(носителе), «приправленной» азотом. Эту подложку сотрудники лабораторий «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» и «Технологии синтеза каталитически активных материалов» ЮФУ создали на основе углерода, «добавив» в него атомы азота. Азот помогает равномерно распределить и прочно удерживать наночастицы платины, не давая им «слипаться» и «выходить из строя», а также приводит к более высокой активности в реакции восстановления кислорода. Эта токообразующая реакция является важнейшей для работы водородо-воздушных топливных элементов — эффективных устройств преобразования энергии для пассажирского транспорта, беспилотных летательных систем, портативных зарядных установок.
«Уже на протяжении нескольких исследований мы наблюдаем, что допированные азотом носители позволяют повысить активность катализаторов на основе наночастиц платины. Помимо этого, такие материалы еще и характеризуются более высоким ресурсом работы. Очень важно понять, за счет чего это происходит, так как эти продукты важны в прикладной сфере. Мы применили комплекс электрохимических измерений и микроскопических исследований в ЮФУ на базе ЦКП Высокоразрешенная микроскопия и в ИК СО РАН. Нам удалось зафиксировать особую структуру материалов, сочетающую наличие как наночастиц платины размером 1-2 нм, так и наличие кластеров атомов платины, равномерно распределенных по поверхности всей подложки. Благодаря коллегам из Сколтеха нам удалось объяснить все эффекты теоретически», – отмечает аспирант ЮФУ, м.н.с., Юлия Баян.
Успех этого проекта — результат слаженной работы междисциплинарной команды. Фундамент исследования заложили сотрудники лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» ЮФУ, которые синтезировали новые материалы. Специалисты по высокоточной микроскопии из ИК СО РАН провели дополнительные исследования микроструктуры материалов и «увидели» его уникальную структуру, а ученые из Сколтеха с помощью вычислительных методов цифрового материаловедения подтвердили, что именно атомы азота являются ключом к повышению характеристики электрокатализаторов.
«Из экспериментов было не совсем понятно, с чем связано такое изменение свойств катализатора. Была выдвинута гипотеза о том, что малый размер наночастиц платины может быть подвержен сильному влиянию структуры поверхности материала носителя, что приведет к критическим изменениям не только структуры наночастиц, но и их электронных свойств. Эта гипотеза была проверена посредством проведения квантово-химических расчетов. Таким образом, было показано, что значительное перераспределение электронной плотности на поверхности наночастиц платины было вызвано дефектами структуры носителя, что приводит к значительным изменениям адсорбционных и каталитических свойств материала», – комментирует профессор Сколтеха, д.ф.-м.н., Александр Квашнин.
«Потенциал этой работы огромен! Мы входим в эру, когда можно буквально «конструировать» катализатор атом за атомом, манипулируя структурой носителя и наночастиц, чтобы получить беспрецедентную активность и стабильность. И тот факт, что эти прорывные результаты признаны на международном уровне, а статья опубликована в престижном журнале Small, входящем в топ 1,5% ведущих мировых научных изданий в своей области, говорит об их высоком качестве. Но главный вывод, на мой взгляд, даже не в этом. Весь этот комплекс исследований мирового уровня, от эксперимента до теории, был выполнен исключительно силами российских научных коллективов. Это доказывает, что в стране уже создана мощная база для передовых исследований и мы в состоянии самостоятельно решать сложнейшие научно технологические задачи, обеспечивая свой технологический суверенитет», – отмечает старший научный сотрудник Сколтеха, к.ф.-м.н., Илья Чепкасов.
Результаты исследования, опубликованного в журнале Small (IF=12), выполнено в рамках проекта РНФ под руководством молодого ученого № 24-79-10162.
«Для нас крайне важна поддержка Российского научного фонда. Благодаря этой поддержке мы смогли сосредоточиться на сложной и амбициозной задаче — не просто создать новый материал, а досконально понять фундаментальные причины его эффективности. Благодаря сотрудничеству с коллегами из Сколтеха нам удалось подтвердить полученные экспериментальные результаты теоретическими расчетами.», — подчеркивает руководитель проекта, выполняемого по гранту РНФ, в.н.с., к.х.н. Анастасия Алексеенко.
Следующий шаг ученых — испытать свой катализатор в реальных прототипах топливных элементов, а также масштабирование производства.
