Исследователи с кафедры химии Копенгагенского университета показали, как построить топливные элементы, которые генерируют столько же электричества, что и текущие модели, но требуют для создания заметно меньше редкой и ценной платины.

Недавно результаты открытия были опубликованы в издании Nature Materials.

Более дешевые водородные автомобили с новыми топливными элементами

Топливные элементы призваны заменить двигатели внутреннего сгорания в автомобилях. Они лучше подходят для климата и окружающей среды. Отчасти потому, что используют топливо намного более эффективно, а отчасти по той причине, что не выделяют ни дыма, ни смога, ни CO2.

К сожалению, у топливных элементов существуют технические ограничения. Они работают, только если содержат в качестве катализатора драгоценный металл, платину, которая встречается в естественной среде реже золота, и потому стоит дороже. Именно платина является весьма существенным препятствием на пути развития генераторов энергии с низким энергопотреблением.

«Снижение потребности в платине является весьма реалистичным. И это послужит значительным финансовым преимуществом проекта», сообщил доцент Маттиас Аренц.

Сниженная потребность в металле повышает экономическую выгоду

В сотрудничестве с исследователями из Технического университета Мюнхена и института Макса Планка Аренц разработал и протестировал множество катализаторов для топливных элементов. Аренц уверен, что его открытие может представить путь для экономически рентабельного производства топливных элементов.

«В лабораторных испытаниях мы показали, что можем производить тот же объем электроэнергии с использованием лишь пятой доли от привычного количества платины», заверил ученый.

Один из наиболее дорогих элементов

Платина — один из самых редких элементов на планете. Большая часть, порядка 80% от мирового запаса, добывается в Южной Африке. Еще 10% — в России. Этот металл стратегически важен.

В 2012 году общемировая добыча составила 179 метрических тонн. Для сравнения: золота добыли в объеме 2700 тонн. И если в 2010 году стоимость платины составляла 1600 долларов за унцию, золото продавалось по цене 1300 долларов за унцию.

Листы, частицы и наночастицы

Топливные элементы производят электричество из водорода и кислорода в ходе так называемой каталитической реакции, которая ускоряется благодаря платине. Наибольший эффект достигается в ходе протекания газов через платиновый лист или платиновую пленку, но это требует значительного количества дорогостоящего элемента. Современные топливные элементы вместо этого сделаны с применением частиц или небольших платиновых гранул. Исследовнаие, проведенное Аренцом, показало, что такие гранулы можно поместить наиболее эффективно.

В пять раз больше электричества на каждый грамм металла

В ходе лабораторного тестирования современные катализаторы произвели примерно 1 ампер на каждый миллиграмм металла. Группа Аренца разработала катализатор топливных элементов, который достиг уровня 8 ампер на каждый миллиграмм платины. Все потому, что ученые использовали меньшие по размеру платиновые гранулы. Но осторожные измерения выявили кое-что более удивительное.

Неожиданный эффект

Ключевой фактор, который привел к экономии платины, ранее никогда обнаружен не был. Ученые произвели множество катализаторов с изменением размеров частиц платины. Случайным образом в нескольких образцах частицы были использованы более плотно, и выяснилось, что эта плотность намного существенней размера. Эффект ученые назвали «эффектом близости частиц».

В дальнейшем необходимо будет разработать химический метод производства плотных катализаторов в промышленном масштабе. У Аренца уже есть несколько идей, как это осуществить. Дело за грантами.