Разработаны стабильные графен-платиновые катализаторы для ТЭ

Ученые из Технологического университета Джорджии представили новые катализаторы для топливных элементов. Комбинация платиновой пленки, толщиной 2 атома, и графенового основания продемонстрировала беспрецедентную активность и долговечность.

Результаты исследования представлены в Advanced Functional Materials, сообщает sciencedaily.com. Платина – один из самых распространенных катализаторов для ТЭ. Но из-за высокой стоимости металла, ученые ищут способы заменить его или уменьшить количество, не теряя эффективности.

«Расходы на платину закладываются при изготовлении топливных элементов. И важно держать их на минимальном уровне, — сказал адъюнкт-профессор Фейсал Аламгир. – Но реальная стоимость ТЭ рассчитывается из долговечности системы. Это – вопрос прочности. Сейчас делается все больше попыток использовать катализаторы без платины. Но пока не удалось получить систему, одновременно соответствующую требованиям к активности и долговечности».

Вместо отказа от ценного металла, команда использовала пленки атомарной толщины, поддерживаемые слоем графена. Так ученые максимально увеличили площадь поверхности платины, доступную для каталитических реакций.

Большинство каталитических систем используют наночастицы, химически прикрепленные к основанию. Основную работу выполняют поверхностные атомы. Каталитический потенциал платины под ними почти не используется. Исследователи показали, что пленки, толщиной минимум 2 атома, превосходят наночастицы по порогу диссоциации – величине, измеряющей затраты энергии на вытеснение поверхностного атома. Они могут лечь в основу долговечных катализаторов.

Для создания пленок атомарной толщины, ученые использовали технику электрохимического осаждения. Они вырастили монослои платины на графене, создав образцы с 1, 2 или 3 атомарными слоями. Структуры протестировали на порог диссоциации, сравнив результаты с показателями стандартных катализаторов.

Опыты показали, что связи платиновых атомов друг с другом и графеном укрепляют систему. Особенно сильный эффект наблюдался в двухатомной структуре.

«Обычно металлические пленки до определенной толщины нестабильны из-за ненаправленных связей. Они стремятся скрутиться, формируя частицы, — сказал Аламгир. – Но с графеном это не происходит за счет сильных ковалентных направленных связей. Новая система использует это свойство для поддержки платиновой пленки».

На следующих этапах ученые проверят, как материал ведет себя в каталитической среде. Прошлые опыты показали, что производительность не зависит от стороны (графен или платина), контактирующей с активной поверхностью.

«Компоненты действуют совместно. Воздействуя на графеновую сторону, вы получите ту же каталитическую активность без разрушения платинового слоя», — сказал Аламгир.