Исследовательская группа из Тяньцзиньского университета предложила метод нестационарной самоорганизации для создания катализаторов со структурой «ядро–оболочка». Этот подход открывает новые возможности для повышения эффективности водородных топливных элементов и развития чистой энергетики. Результаты работы опубликованы 10 июля в журнале Science.
По словам соавтора исследования, профессора Тяньцзиньского университета Ху Вэньбина, разработанный метод принципиально меняет подход к высокоточному синтезу сложных катализаторов из благородных металлов.
— Наша технология дает мощный инструмент для развития стратегически важных отраслей — от производства «зеленого» водорода до создания передовых энергоносителей. Она напрямую работает на национальную стратегию по декарбонизации и энергобезопасности, — подчеркнул ученый.
Катализаторы на основе металлов платиновой группы незаменимы в энергетике, химпроме и экологических технологиях. Соединение платиновых и недрагоценных металлов в структуре «ядро–оболочка» позволяет резко снизить расход дорогого сырья без потери эффективности. Высокая активность таких материалов достигается за счет взаимодействия атомов на стыке ядра и оболочки, что оптимизирует кристаллическую решетку и электронные свойства катализатора.
Разработанный метод меняет саму парадигму синтеза. Традиционно такие материалы получают путем длительного высокотемпературного отжига, при котором вещество последовательно переходит из одного термодинамически равновесного состояния в другое. Это долгий и энергоемкий процесс, не позволяющий точно контролировать структуру наночастиц, что ограничивает их потенциал.
Стремясь обойти эти ограничения, авторы исследования создали стратегию неравновесной нестационарной самоорганизации. Короткие периодические импульсы тепла с миллисекундной точностью передают энергию системе, заставляя нанокристаллы складываться в структуру «ядро–оболочка» через непрерывную смену высокоэнергетических промежуточных состояний. Метод позволяет регулировать толщину платинового покрытия буквально послойно — на уровне отдельных атомов.
Если классический многоэтапный синтез занимает несколько часов и требует сложного оборудования, то новый метод справляется за минуты. Ученым удалось получить платиновую оболочку толщиной всего в три атомных слоя — этого достаточно для максимальной каталитической активности при оптимальной геометрии.
Кроме того, технология на 90% снижает энергопотребление при производстве и исключает использование токсичных реагентов, делая сам процесс экологически чистым.
В ходе испытаний топливные элементы с новыми катализаторами показали удельную мощность в 15,2 кВт на грамм платины и продемонстрировали высокую стабильность работы.
Ху Вэньбин уверен, что благодаря высокой скорости, точности, эффективности и экологичности новый метод найдет применение не только в водородной энергетике, но и в тонком органическом синтезе, фармацевтике, промышленном катализе и очистке сточных вод.