Американская команда разработала новый углеродный носитель: катализатор для топливных элементов сохраняет 85% активности после 150 000 циклов

Репортаж от Wedoany，Команда под руководством Гана Ву (Gang Wu), профессора кафедры Elvera и William R. Stuckenberg в Школе инженерии Маккелви (McKelvey School of Engineering) Вашингтонского университета в Сент-Луисе (Washington University in St. Louis), совместно с командами из Брукхейвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory), Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory), Северо-Восточного университета (Northeastern University) и Университета Питтсбурга (University of Pittsburgh), добилась прогресса в области катализаторов для низкотемпературных топливных элементов. Они разработали новый наноструктурированный углеродный носитель, позволяющий получать высокоактивные и высокостабильные интерметаллические наночастицы платины и кобальта при высоких температурах. Результаты были опубликованы 6 августа 2026 года в журнале Nature Nanotechnology.

Одна из реальных проблем, на решение которых направлена эта технология, связана с электропотреблением центров обработки данных. Резкий рост числа новых центров обработки данных в США увеличил потребность в электроэнергии для их работы и охлаждения. По оценкам Электроэнергетического исследовательского института (Instituto de Investigación de Energía Eléctrica), к 2030 году потребление электроэнергии центрами обработки данных может достичь 9% годовой выработки электроэнергии в США, тогда как в 2023 году этот показатель составлял около 4%. Ву отметил, что если центры обработки данных смогут самостоятельно вырабатывать электроэнергию с помощью топливных элементов, напрямую преобразуя водород и другие виды топлива в электричество, это позволит снизить нагрузку на энергосистему.

Принцип работы топливных элементов заключается в соединении водорода и кислорода с образованием электроэнергии, воды и тепла при помощи катализатора. Катализатор ускоряет реакцию, снижает потери энергии и повышает общую производительность и долговременную стабильность. Текущая сложность заключается в дизайне катализатора: активность и долговечность существующих материалов недостаточны для достижения целевых показателей производительности.

Платина является идеальным каталитическим материалом, но относится к драгоценным металлам, поэтому цель состоит в том, чтобы максимально сократить её использование без ущерба для каталитических свойств. Изготовление платины в виде наночастиц позволяет значительно увеличить площадь открытой поверхности, и её расход обычно может быть ниже четверти миллиграмма на квадратный сантиметр. Однако в процессе работы топливного элемента наночастицы могут растворяться, мигрировать и укрупняться, что приводит к постепенному снижению производительности.

Новые платиновые интерметаллические катализаторы более перспективны по каталитической активности и стабильности, чем традиционные платиновые сплавы. Для сохранения хорошей дисперсии наночастиц и максимального использования платины большинство современных катализаторов синтезируются при температуре отжига ниже 700°C. Однако этой температуры недостаточно для полного перехода атомов из неупорядоченного состояния в упорядоченное, который имеет решающее значение для повышения активности и стабильности интерметаллических катализаторов.

Новый наноструктурированный углерод, разработанный командой Ву — полые пористые углеродные сферы с упорядоченными радиальными наноканалами, большой пористостью и удельной поверхностью — решил вышеуказанные проблемы. Этот уникальный углеродный материал позволяет формировать высокоплотные, хорошо диспергированные интерметаллические наночастицы платины и кобальта при высоких температурах, сохраняя при этом равномерное распределение наночастиц, что позволяет преодолеть дилемму между степенью атомного упорядочения и однородностью распределения частиц.

Исследовательская группа нагревала платиново-кобальтовый катализатор до 1000°C, что достаточно для формирования высокоупорядоченной структуры, сохраняя при этом размер наночастиц менее 5 нанометров и их равномерное распределение даже при высоком содержании платины, которое предпочитает промышленность. Этот носитель сохраняет 85% производительности после 150 000 циклов напряжения, что эквивалентно примерно 25 000 часам работы. Обычно при синтезе более крупных частиц стабильность достигается в ущерб активности; другие попытки повысить стабильность часто приводят к потере активности. Благодаря более крупным порам, упорядоченному размеру пор и огромной удельной поверхности этот углеродный носитель позволяет преодолеть компромисс между активностью и стабильностью.

Ву пояснил, что открытая канальная структура способствует равномерному распределению ионсодержащих материалов (например, иономеров) и облегчает транспорт протонов, кислорода и воды в электродах. Встроенные в этот носитель наночастицы платины и кобальта демонстрируют улучшенные характеристики и долговременную стабильность. Ву подал заявку на патент на эту технологию через Офис управления технологиями Вашингтонского университета. Он отметил, что при дальнейшей разработке и отраслевом сотрудничестве можно будет решить оставшиеся проблемы с катализаторами и продвинуть применение топливных элементов более эффективно и устойчиво.