Катализатор на основе углеродных нановолокон и наночастиц платины и никеля

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».