Развитие высоких

13 мая 2022 г.

Национальным исследовательским советом по науке и технологиям

Электромобили на топливных элементах (FCEV) — это экологически чистый вид транспорта, который заменит локомотивы внутреннего сгорания. FCEV имеют ряд преимуществ, таких как короткое время зарядки и большой пробег. Однако чрезмерная стоимость платины, используемой в качестве катализатора топливных элементов, приводит к ограничению поставок FCEV. Были проведены обширные исследования катализаторов из недрагоценных металлов, таких как железо и кобальт, для замены платины; однако найти заменители платины по-прежнему сложно из-за низкой эффективности и низкой стабильности катализаторов из недрагоценных металлов.

Исследовательская группа под руководством доктора Сунг Чон Ю из Исследовательского центра водородных топливных элементов Корейского института науки и технологий (KIST) провела совместное исследование с профессором Джинсу Кимом из Университета Кён Хи и профессором Хён-Гю Лимом из Национального университета Кангвон; они объявили, что разработали одноатомный катализатор на основе кобальта, производительность и стабильность которого примерно на 40% улучшены по сравнению с современными катализаторами на основе наночастиц кобальта. Их исследование опубликовано в журнале Applied Catalysis B: Environmental.

Обычные катализаторы обычно синтезируются посредством пиролиза, при котором предшественники переходных металлов и углерод смешиваются при температуре 700–1000 ℃. Однако из-за агрегации металлов и низкой удельной поверхности катализаторы, полученные этим процессом, имели ограниченную активность. Соответственно, исследователи сосредоточились на синтезе одноатомных катализаторов; однако ранее сообщалось, что одноатомные катализаторы могут быть произведены только в небольших количествах, поскольку используемые химические вещества и методы синтеза различаются в зависимости от типа синтезируемого катализатора. Поэтому исследования были сосредоточены на улучшении производительности катализатора, а не на производственном процессе.

Для решения этой проблемы был реализован метод распылительного пиролиза с использованием промышленного увлажнителя. Частицы в форме капель были получены путем быстрой термообработки капель, полученных из увлажнителя. Это может обеспечить массовое производство посредством непрерывного процесса, и любые металлы можно легко превратить в частицы. Материалы, используемые для синтеза металлических частиц, должны быть водорастворимыми, поскольку частицы производятся с помощью промышленного увлажнителя.

Было подтверждено, что одноатомные катализаторы на основе кобальта, разработанные с помощью этого процесса, демонстрируют превосходную стабильность, а также характеристики топливных элементов и на 40% превосходят традиционные кобальтовые катализаторы. Катализаторы на основе кобальта также вызывают побочные реакции в топливных элементах; однако вычислительная наука показала, что катализаторы, изготовленные посредством распылительного пиролиза, приводят к прямым реакциям в топливных элементах.

Доктор Ю пояснил: «Благодаря этому исследованию был разработан процесс, который может позволить значительно улучшить массовое производство одноатомных катализаторов на основе кобальта, а механизм работы катализаторов на основе кобальта был выяснен посредством тщательного анализа и вычислительных вычислений. Ожидается, что эти результаты послужат индикаторами для будущих исследований кобальтовых катализаторов». Они также добавили: «Мы планируем расширить сферу будущих исследований, чтобы изучить не только катализаторы для топливных элементов, но и экологические катализаторы, электролиз воды и аккумуляторные батареи».

Больше информации: Кёнмин Им и др., «Дизайн Co-NC как эффективного электрокатализатора: уникальная структура и активный центр, обеспечивающие исключительную долговечность топливных элементов с протонообменной мембраной», Applied Catalysis B: Environmental (2022). DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121220

Предоставлено Национальным исследовательским советом по науке и технологиям