Российские ученые нашли причину высокой эффективности электрокатализаторов для источников тока

Водород в настоящее время играет ключевую роль в стратегии перехода энергетики России к углеродно-нейтральному состоянию, о чем не раз упоминал президент Владимир Путин. Водородная энергетика рассматривается как отдельное направление в Энергетической стратегии РФ, опубликованной 12 апреля 2025 года, что способствует сохранению технологического суверенитета страны. Одним из наиболее известных компонентов водородной энергетики являются водородно-воздушные топливные элементы, которые могут использоваться в транспортных средствах и портативных устройствах. Ученые Южного федерального университета в сотрудничестве с коллегами из Сколтеха и ИК СО РАН сделали важный шаг вперед, улучшив катализаторы, которые играют ключевую роль в эффективности этих систем.

В водородных топливных элементах катализаторы ускоряют ключевые химические реакции, традиционно основанные на платине, которая является дорогим материалом. Российские ученые разработали новый катализатор, который превосходит коммерческие аналоги по стабильности и активности, позволяя сократить содержание платины. Секрет заключается в углеродной подложке с добавлением азота, которая равномерно распределяет и удерживает наночастицы платины, предотвращая их агрегацию и повышая активность в реакции восстановления кислорода.

Исследования показывают, что азотсодержащие носители увеличивают активность катализаторов и их срок службы. Ученые использовали электрохимические измерения и микроскопические исследования для анализа уникальной структуры материалов, содержащих наночастицы и кластеры платины. Работа междисциплинарной команды, включающей специалистов ЮФУ, ИК СО РАН и Сколтеха, позволила подтвердить, что атомы азота играют ключевую роль в улучшении характеристик электрокатализаторов.

Эксперименты не сразу объяснили изменения свойств катализатора. Выдвинута гипотеза, что малый размер наночастиц платины подвержен влиянию структуры носителя, что влияет на их электронные свойства. Квантово-химические расчеты подтвердили, что дефекты структуры носителя вызывают перераспределение электронной плотности на поверхности наночастиц, изменяя их адсорбционные и каталитические свойства, – комментирует профессор Сколтеха Александр Квашнин.

«Потенциал этой работы огромен! Мы можем «конструировать» катализаторы атом за атомом, достигая высокой активности и стабильности. Признание результатов на международном уровне и публикация в журнале Small подтверждают их качество. Главное, что все исследования выполнены исключительно российскими научными коллективами, что доказывает наличие мощной базы для передовых исследований и способности решать сложные научно-технологические задачи», – добавляет старший научный сотрудник Сколтеха Илья Чепкасов.

Результаты исследования, опубликованного в журнале Small (IF=12), были получены в рамках проекта Российского научного фонда под руководством молодого ученого по гранту № 24-79-10162.

«Поддержка Российского научного фонда имеет для нас огромное значение. Благодаря этой помощи мы смогли сосредоточиться на сложной и амбициозной задаче — не просто разработать новый материал, но и глубоко понять фундаментальные причины его эффективности. Совместная работа с коллегами из Сколтеха позволила нам подтвердить экспериментальные результаты с помощью теоретических расчетов», — отмечает руководитель проекта, ведущий научный сотрудник, кандидат химических наук Анастасия Алексеенко.

Следующий этап работы ученых включает испытания разработанного катализатора в реальных прототипах топливных элементов, а также масштабирование его производства.