Декарбонизация транспортной отрасли становится реальностью благодаря активному внедрению гибридных и электрических автомобилей. В то время как легковые машины могут успешно использовать литиевые аккумуляторы, для тяжелых грузовых автомобилей и автобусов электрификация остается сложной задачей. Главная альтернатива — водородные топливные элементы, и их эффективность напрямую зависит от долговечности используемых катализаторов.
Топливные элементы, в частности протонно-обменные мембранные топливные элементы (PEMFC), вырабатывают электричество за счет реакции водорода и кислорода, используя твердую полимерную мембрану для переноса протонов от анода к катоду. Несмотря на очевидные преимущества, широкое внедрение PEMFC в грузовом транспорте ограничено из-за недолговечности и неидеальной эффективности современных катализаторов на основе платины.
В процессе эксплуатации платиновые и сплавные катализаторы постепенно растворяются, атомы металла оседают заново, что приводит к укрупнению частиц и сокращению активной поверхности. Итог — снижение производительности и быстрый износ, что препятствует массовому использованию топливных ячеек в электрических и гибридных грузовиках и автобусах.
Команда исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) под руководством профессора Юй Хуанга представила инновационный подход, опубликованный в журнале Nature Nanotechnology. Новый катализатор — это ультрамелкие платиновые наночастицы, защищённые графеновыми нанокарманами и закреплённые на пористой форме углерода — кетженблеке. Такое архитектурное решение позволяет добиться одновременно высокой эффективности и рекордной долговечности топливных элементов.
Профессор Юй Хуанг отмечает: «Наше исследование возникло из настоятельной необходимости снизить выбросы грузовых автомобилей, которым требуется увеличенный рабочий ресурс и высокая надежность». Он подчеркивает, что одной из главных проблем остается стабильность катализатора.
Графеновые нанокарманы действуют как защитный барьер: они предотвращают растворение и слипание платиновых наночастиц, сохраняя их в порах углеродного носителя. «Графеновые нанокарманы защищают платиновые наночастицы от растворения и агрегации... Частицы надежно удерживаются в порах углеродной основы, что существенно повышает стабильность и долговечность даже в суровых условиях эксплуатации», — комментирует один из первых авторов работы, Цзэян Лю.
Результаты испытаний нового катализатора демонстрируют беспрецедентную устойчивость: при начальной массовой активности 0,74 А/мг и удельной мощности 1,08 Вт/см² потери мощности после 90 000 циклов напряжения составили менее 1,1%. Прогнозируемый срок службы топливного элемента превышает 200 000 часов, что значительно выше текущих целевых показателей Министерства энергетики США для топливных элементов грузовых автомобилей. «Катализатор показал исключительные характеристики... Потеря мощности после 90 000 циклов составила менее 1,1%, а прогнозируемый срок службы превышает 200 000 часов, что значительно превосходит текущие целевые показатели Министерства энергетики для топливных элементов тяжёлых транспортных средств», — отмечает другой первый автор, Боси Пэн.
В перспективе новая разработка открывает путь к созданию долговечных и высокоэффективных водородных топливных элементов для грузового транспорта, способствуя сокращению выбросов углекислого газа. «Наше исследование — значительный шаг вперёд на пути к сокращению выбросов и повышению топливной экономичности в секторах транспорта, которые существенно влияют на энергопотребление и окружающую среду», — подчёркивает Юй Хуанг.
Дальнейшие исследования направлены на повышение активности и устойчивости платиновых катализаторов, оптимизацию структуры электродов, разработку новых углеродных материалов и совершенствование иономерных компонентов, что критически важно для стабильности и работы топливных элементов на высоких плотностях тока. Особое внимание уделяется совершенствованию мембранно-электродных сборок (MEA) — ключевого элемента PEMFC.
Технологии, представленные исследовательской группой UCLA, открывают новый этап в развитии водородных топливных элементов, приближая массовый переход грузового транспорта на экологически чистые источники энергии.
Изображение носит иллюстративный характер
Топливные элементы, в частности протонно-обменные мембранные топливные элементы (PEMFC), вырабатывают электричество за счет реакции водорода и кислорода, используя твердую полимерную мембрану для переноса протонов от анода к катоду. Несмотря на очевидные преимущества, широкое внедрение PEMFC в грузовом транспорте ограничено из-за недолговечности и неидеальной эффективности современных катализаторов на основе платины.
В процессе эксплуатации платиновые и сплавные катализаторы постепенно растворяются, атомы металла оседают заново, что приводит к укрупнению частиц и сокращению активной поверхности. Итог — снижение производительности и быстрый износ, что препятствует массовому использованию топливных ячеек в электрических и гибридных грузовиках и автобусах.
Команда исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) под руководством профессора Юй Хуанга представила инновационный подход, опубликованный в журнале Nature Nanotechnology. Новый катализатор — это ультрамелкие платиновые наночастицы, защищённые графеновыми нанокарманами и закреплённые на пористой форме углерода — кетженблеке. Такое архитектурное решение позволяет добиться одновременно высокой эффективности и рекордной долговечности топливных элементов.
Профессор Юй Хуанг отмечает: «Наше исследование возникло из настоятельной необходимости снизить выбросы грузовых автомобилей, которым требуется увеличенный рабочий ресурс и высокая надежность». Он подчеркивает, что одной из главных проблем остается стабильность катализатора.
Графеновые нанокарманы действуют как защитный барьер: они предотвращают растворение и слипание платиновых наночастиц, сохраняя их в порах углеродного носителя. «Графеновые нанокарманы защищают платиновые наночастицы от растворения и агрегации... Частицы надежно удерживаются в порах углеродной основы, что существенно повышает стабильность и долговечность даже в суровых условиях эксплуатации», — комментирует один из первых авторов работы, Цзэян Лю.
Результаты испытаний нового катализатора демонстрируют беспрецедентную устойчивость: при начальной массовой активности 0,74 А/мг и удельной мощности 1,08 Вт/см² потери мощности после 90 000 циклов напряжения составили менее 1,1%. Прогнозируемый срок службы топливного элемента превышает 200 000 часов, что значительно выше текущих целевых показателей Министерства энергетики США для топливных элементов грузовых автомобилей. «Катализатор показал исключительные характеристики... Потеря мощности после 90 000 циклов составила менее 1,1%, а прогнозируемый срок службы превышает 200 000 часов, что значительно превосходит текущие целевые показатели Министерства энергетики для топливных элементов тяжёлых транспортных средств», — отмечает другой первый автор, Боси Пэн.
В перспективе новая разработка открывает путь к созданию долговечных и высокоэффективных водородных топливных элементов для грузового транспорта, способствуя сокращению выбросов углекислого газа. «Наше исследование — значительный шаг вперёд на пути к сокращению выбросов и повышению топливной экономичности в секторах транспорта, которые существенно влияют на энергопотребление и окружающую среду», — подчёркивает Юй Хуанг.
Дальнейшие исследования направлены на повышение активности и устойчивости платиновых катализаторов, оптимизацию структуры электродов, разработку новых углеродных материалов и совершенствование иономерных компонентов, что критически важно для стабильности и работы топливных элементов на высоких плотностях тока. Особое внимание уделяется совершенствованию мембранно-электродных сборок (MEA) — ключевого элемента PEMFC.
Технологии, представленные исследовательской группой UCLA, открывают новый этап в развитии водородных топливных элементов, приближая массовый переход грузового транспорта на экологически чистые источники энергии.
