Специалисты в области инноваций «Тойота Мотор Корпорэйшн» разработали уникальную технологию наблюдения за процессом деградации катализатора, входящего в состав водородных топливных элементов. Благодаря изобретенному исследователями Тойота методу наблюдения за наночастицами появилась возможность следить за их изменением в режиме реального времени. Открытие может в ближайшем будущем привести к появлению более эффективных и долговечных блоков топливных элементов нового поколения для автомобильных силовых установок.

«Тойота Мотор Корпорэйшн» и Японский центр тонкой керамики (JFCC) совместно разработали новую методику наблюдения за поведением наночастиц платины в процессе химической реакции, происходящей в топливных элементах. Новая методика позволила исследователям, в частности, отследить процессы, приводящие к снижению химической активности платинового каталитизатора, входящего в состав блока топливных элементов.

Принцип действия водородных топливных элементов основан на выработке электроэнергии в результате реакции между водородом и кислородом. Платина — эффективный катализатор, необходимый для реакции. Снижение химической активности катализатора связано с «укрупнением» наночастиц платины, при котором частицы увеличиваются в размерах, а площадь их поверхности уменьшается. До появления новой методики, разработанной специалистами Тойота, отследить процессы, приводящие к укрупнению, было невозможно. Отсутствие возможности наблюдения в режиме реального времени, в свою очередь, затрудняло анализ коренных причин укрупнения.

Новый метод наблюдения позволяет обнаружить на угольном носителе места скопления укрупненных наночастиц платины, а также измерить изменение уровня выходного напряжения топливного элемента в процессе укрупнения. Изобретенный исследователями Тойота способ позволит также сравнить характеристики разных материалов-носителей для нанесения катализатора. Результаты комплексного анализа укажут новые направления исследований, направленных на улучшение производительности и долговечности платинового катализатора, что приведет к повышению эффективности водородных топливных элементов.

Предпосылки научно-исследовательской деятельности

Топливные элементы вырабатывают электроэнергию за счет химической реакции газообразного водорода и кислорода. Каждый отдельный топливный элемент в блоке осуществляет превращение химической энергии топлива в электричество в процессе электрохимической реакции, в которой водород используется со стороны анода и кислород на стороне катода. Единственным побочным продуктом реакции является обычная вода.

В процессе реакции молекулы водорода разделяются на электроны и катионы водорода на стороне анода. На платиновом катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны. Поток электронов движется к катоду кислорода, вырабатывая электроэнергию для питания электродвигателя. Между тем, катионы водорода проводятся через полимерную мембрану на сторону катода, где при соединении с кислородом образуется вода. Для этой реакции в качестве катализатора также используется платина

Таким образом, платина — необходимый компонент для производства электроэнергии в топливных элементах, играющий жизненно важную роль в повышении их эффективности. Сложность заключается в том, что платина — редкий и дорогостоящий элемент. В процессе реакции наночастицы платины укрупняются, что приводит к снижению количества электроэнергии, вырабатываемого топливным элементом. Чтобы предотвратить укрупнение частиц и поддержать каталитическую производительность, необходимо идентифицировать процессы, приводящие к укрупнению частиц. Основная проблема заключается в том, что малые размеры наночастиц платины усложняют наблюдение за процессами при помощи стандартных средств.

Особенности методики наблюдения, разработанной специалистами Тойота

Обычный способ наблюдения за поведением наночастиц платины заключается в сравнении размеров частиц в фиксированной точке до и после реакции. С помощью этого традиционного метода было обнаружено, что наночастицы платины после реакции укрупняются, а их химическая активность снижается. Однако причины этого снижения оставались предположительными из-за невозможности наблюдать за процессами, приводящими к укрупнению, в режиме реального времени.

Новый метод, разработанный исследователями Тойота, предполагает использование для наблюдений образца, в котором среда и условия полностью соответствуют тем, что возникают в топливных элементах в процессе выработки энергии. Этот метод, в дополнение к недавно разработанной методике подачи напряжения на образцы, установленные внутри просвечивающего электронного микроскопа, позволяет наблюдать процесс укрупнения частиц в реальном времени на всех этапах выработки электроэнергии. Просвечивающий электронный микроскоп позволяет наблюдать и анализировать материалы, размеры которых находятся в нанодиапазоне (0,1 нм).