Новый катализатор на основе никеля позволяет создавать доступные водородные топливные элементы без использования драгоценных металлов

Топливные элементы, работающие на водороде, широко рассматриваются как чистая альтернатива ископаемому топливу, однако их высокая стоимость долгое время ограничивала их применение. Ключевой причиной такой дороговизны является зависимость от редких и дорогостоящих металлов, таких как платина, которые необходимы в традиционных конструкциях топливных элементов. Теперь ученые разработали новый подход, который полностью исключает потребность в платине, что потенциально может сделать топливные элементы значительно более доступными.

В обычных топливных элементах химические реакции, отвечающие за преобразование водорода в электричество, протекают в сильнокислых условиях. Однако лишь немногие металлы, в основном платина, способны эффективно работать в такой среде, не разрушаясь. Эта долговечность обеспечивается высокой ценой, что затрудняет масштабное внедрение технологии.

Чтобы снизить затраты, исследователи из Корнеллского университета изучали топливные элементы, работающие в щелочных, а не в кислотных условиях. В более мягкой щелочной среде можно использовать более распространенные и недорогие металлы, такие как никель. Несмотря на перспективность, эта идея сталкивалась с серьезным препятствием: более низкой скоростью реакций, что снижало общую производительность элементов.

Последний прорыв связан со специально разработанным катализатором, изготовленным из никеля, покрытого очень тонким слоем углерода. Это покрытие играет решающую роль. Хотя сам по себе никель склонен к быстрой деградации, углеродный слой защищает его от повреждений, одновременно позволяя протекать необходимым реакциям. Покрытие является чрезвычайно тонким — толщиной всего в несколько атомов, — поэтому оно не блокирует поток электронов, а действует как защитный экран, обеспечивая стабильность и функциональность никеля с течением времени. Такая продуманная конструкция позволяет топливному элементу сохранять эффективность без использования дорогостоящих материалов.

Испытания показали, что новый катализатор способен обеспечить впечатляющие результаты. В сочетании с другим недорогим материалом для дополнительной реакции в топливном элементе система достигла высоких показателей выходной мощности. Фактически, ее производительность превзошла ключевые целевые показатели, установленные для топливных элементов следующего поколения. Это важный шаг вперед, поскольку он доказывает, что доступные материалы могут соответствовать или даже превосходить традиционные системы на основе платины.

Работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, включала анализ состояния никелевых катализаторов с использованием просвечивающей растровой электронной микроскопии и электронной энергоспектроскопии, а также рентгеновской абсорбционной спектроскопии с флуоресцентным детектированием высокого разрешения in situ. Полученные результаты показали, что металлическая поверхность никеля имеет решающее значение для эффективного катализа реакции окисления водорода, и что образование α-Ni(OH)2 при потенциалах выше +0,3 В относительно обратимого водородного электрода приводит к дезактивации катализатора.

«Щелочная среда позволяет использовать неблагородные металлы — никель, железо, кобальт, марганец, — которые в 500–1000 раз дешевле благородных металлов, таких как платина и палладий, так что вопрос стоимости становится неактуальным», — пояснил Эктор Д. Абрунья, профессор кафедры химии и химической биологии Колледжа искусств и наук, носящий имя Эмиля М. Шамо. «Но это означает, что вам необходимо разработать катализаторы, которые могут работать в щелочной среде, обладать высокой производительностью и сохранять долговременную стабильность в процессе работы».

Разработка топливных элементов, не содержащих платину, может принести широкий спектр преимуществ. Снижение затрат способно сделать водородные автомобили более доступными и помочь расширить решения в области чистой энергетики в отдаленных или развивающихся регионах. Это также уменьшает зависимость от дефицитных ресурсов, делая технологию более устойчивой в долгосрочной перспективе. Данная инновация подчеркивает, как грамотный дизайн материалов позволяет преодолеть давние проблемы в энергетических технологиях. Сочетая в себе долговечность, эффективность и низкую стоимость, новый подход приближает топливные элементы к повседневному использованию. По мере дальнейших усовершенствований топливные элементы без платины смогут сыграть ключевую роль в построении более чистого и доступного энергетического будущего.