Исследовательская группа разработала прорывную технологию, которая значительно повышает долговечность сплавных катализаторов, критически важного компонента топливных элементов. Включив азот в структуру сплава, группа решила проблему высокой стоимости и низкой долговечности платиновых (Pt) катализаторов, двух основных препятствий для коммерциализации топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC) для экологически чистых транспортных средств.
По мере усиления глобальных усилий по коммерциализации водородных топливных элементов исследователи все больше сосредотачиваются на преодолении ключевых технических проблем. Среди потенциальных решений сплавы платины и кобальта (PtCo) продемонстрировали исключительную производительность, но сталкиваются с ограничениями при долгосрочном использовании из-за их высокой стоимости и проблем с долговечностью, в первую очередь вытекающих из легкого растворения кобальта.
Чтобы справиться с этими проблемами, профессор Чонсунг Ю из команды DGIST разработал инновационный метод синтеза, который интегрирует азот в сплавы PtCo. Этот подход с легированием азотом значительно повышает долговечность сплавов, стабилизируя кобальт посредством связи кобальт-азот, эффективно предотвращая его растворение. Эта технология не только снижает количество необходимой платины, но и сохраняет высокую производительность и долговечность, прокладывая путь к коммерциализации топливных элементов с низким содержанием платины и высокой стабильностью.
Работа опубликована в Журнале Американского химического общества.
Недавно разработанный сплав PtCo, легированный азотом, отличается упорядоченными структурами PtCo как на поверхности, так и внутри сплава, а также исключительной структурной стабильностью, которая достигается за счет связи кобальта с азотом. Вычислительный химический анализ, проведенный профессором Соин Бэком из Университета Соган, показал, что эта сильная связь кобальта с азотом увеличивает энергию растворения кобальта примерно в два раза, значительно повышая стабильность кобальта в сплаве.
Кроме того, сплав превзошел целевые показатели долговечности на 2025 год, установленные Министерством энергетики США в ходе ускоренных оценок долговечности, превзойдя существующие коммерческие катализаторы как по производительности, так и по долговечности.
«Наши исследования были сосредоточены на устранении ограничений долговечности существующих сплавов с целью значительного повышения производительности топливных элементов», — сказал профессор Ю.
«Продвигая применение сплавов платины и кобальта с выдающимися начальными характеристиками в практических топливных элементах, мы разработали технологию, которая отвечает требованиям как долговечности, так и эффективности для водородных топливных элементов. Мы надеемся, что это достижение будет способствовать превращению водородных топливных элементов в устойчивое энергетическое решение для различных сфер применения, включая автомобильную, морскую, авиационную и электроэнергетическую отрасли».
