Ученые из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, Новосибирского государственного университета и Омского государственного технического университета разработали катализатор на основе наночастиц из сплава платины и никеля, которые встроены в углеродные нановолокна. 

Новости РАН, 31.10.2023

InScience, 30.10.2023

Российские ученые разработали катализатор на основе углеродных нановолокон и наночастиц из платиноникелевого сплава. Этот материал стабильнее и дешевле обычных платиновых катализаторов, которые применяются в топливных элементах, позволяющих получать электроэнергию. Исследование опубликовано в журнале Catalysts.

Топливные элементы — это устройства, которые позволяют вырабатывать электрическую энергию химическим путем из топлива. В качестве сырья в таких устройствах часто используются углеводороды, а также метанол, этанол, муравьиная кислота. Однако сегодня ученые ищут способы применения более экологичных возобновляемых видов топлива, например водорода. Для работы топливных элементов требуются мембраны и электроды, с помощью которых осуществляются электрохимические реакции, а также катализатор. В качестве последнего чаще всего применяется платина, главный недостаток которой — высокая стоимость. Чтобы снизить цену топливных элементов, ученые пытаются найти другие варианты катализаторов, в состав которых, помимо платины, входят другие металлы — кобальт, никель, железо, рутений, хром и другие. Их сплавы с платиной могут быть не только дешевле, но и эффективнее. Например, такие катализаторы могут быть активнее, и стабильнее в агрессивных средах, что важно для их применения в топливных элементах.

Ученые из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, Новосибирского государственного университета и Омского государственного технического университета разработали катализатор на основе наночастиц из сплава платины и никеля, которые встроены в углеродные нановолокна. Сначала химики получили сплавы платины и никеля с различным соотношением путем термического разложения специально приготовленных предшественников из солей металлов. Затем ученые поместили сплав в реактор и провели реакцию каталитического разложения этилена при температуре 600°C. В ходе этого процесса происходит отложение углерода, что приводило к фрагментации исходного сплава с образованием активных каталитических частиц. Образующиеся активные частицы в дальнейшем играли роль центров роста углеродных нитей (нановолокон). При этом, как отметили ученые, при использовании в качестве катализатора чистой платины подобных процессов не происходило, она была неактивна. Полученный композитный материал из углеродных нановолокон и наночастиц сплава платины и никеля ученые охарактеризовали с помощью рентгеновской дифракции и электронной микроскопии, а затем проверили его активность как катализатора в электрохимической реакции получения водорода.

В ходе экспериментов ученые выяснили, что эффективность полученного катализатора повышается при увеличении доли никеля в сплаве. Так, больше всего углеродных нановолокон вырабатывалось при использовании чистого никеля или сплава, состоящего на 10% из платины и на 90% — из никеля. В таком случае выход нановолокон повышался в 10-30 раз по сравнению с исключительно платиновым катализатором, составляя 30 грамм нановолокон на каждый грамм катализатора. В электрохимической реакции получения водорода лучшие результаты также показали композитные материалы, в которые входили наночастицы из сплавов с 10% и 20% платины. При этом они оказались в два раза эффективнее коммерческого катализатора на основе платины на пористом углеродном носителе. «Особенность этих катализаторов заключается в том, что их можно получать в реакции каталитического разложения углеводородов. Эту реакцию можно использовать для утилизации углеводородов или их хлорпроизводных с получением полезных продуктов, таких как водород и углеродные волокна, содержащие в своем массиве каталитически активные частицы сплава», — отмечает один из авторов статьи, кандидат химических наук Антон Попов.

Таким образом, ученые разработали способ получения композитного материала из углеродных нановолокон и наночастиц из платино-никелевого сплава, который может эффективно использоваться в катализе и электрокатализе. Применение именно этого материала позволяет сократить количество используемой платины на 80-90%, что значительно удешевляет его по сравнению с традиционными платиновыми катализаторами.

Работа проведена при поддержке Российского Научного Фонда (проект № 21-13-00414). Каталитические исследования проведены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации [проект № AAAA-A21-121011390054-1].

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».

В журнале Advanced Optical Materials (ИФ 9.0) опубликована статья с участием сотрудников Института Давыдовой М.П., Рахмановой М.И., Суляевой В.С. и Артемьева А.В.

“Highly Emissive Chiral Mn(II) Bromide Hybrids for UV-Pumped Circularly Polarized LEDs and Scintillator Image Applications” M.P. Davydova, L. Meng, M.I. Rakhmanova, I.Yu. Bagryanskaya, V.S. Sulyaeva, H. Meng, A.V. Artem’ev // Adv. Opt. Mater. 202311, 2202811. DOI: 10.1002/adom.202202811. Посмотреть статью 

В журнале Journal of Environmental Chemical Engineering (ИФ 7,7) опубликована статья с участием сотрудников Института Новиковой Е.Д., Прониной Е.В., Воротникова Ю.А., Цыганковой А.Р., Гусельниковой Т.Я. и Шестопалова М.А.

“Cotton fabrics modified with molybdenum nanoclusters for photodynamic inactivation of bacteria and viruses”. E. D. Novikova, E. V. Pronina, Y. A. Vorotnikov, L. S. Adamenko, A. Y. Alekseev, A. M. Shestopalov, A.R. Tsygankova, T.Ya. Gusel’nikova, P. Kub´at, K. Kirakci, K. Lang, M. A. Shestopalov // J. Environ. Chem. Eng., 2023, 11, 110796. DOI: 10.1016/j.jece.2023.110796. Посмотреть статью 

Фотоиндуцируемая антибактериальная и противовирусная активность хлопковой ткани, модифицированной кластерами молибдена

В журнале Advanced Materials (ИФ 29.4) опубликована статья с участием сотрудников Института Давыдовой М.П., Рахмановой М.И., Берёзина А.С. и Артемьева А.В.

“Strong Magnetically-Responsive Circularly Polarized Phosphorescence And X-Ray Scintillation in Ultrarobust Mn(II)–Organic Helical Chains” M.P. Davydova, L. Meng, M.I. Rakhmanova, Z. Jia, A.S. Berezin, I.Yu. Bagryanskaya, Q. Lin, H. Meng, A.V. Artem’ev // Adv. Mater. 2023, 35, 2303611. DOI: 10.1002/adma.202303611. Посмотреть статью