Передовые электрокатализаторы на основе платины для восстановления кислорода в топливных элементах

Топливные элементы относятся к передовым энергетическим технологиям. Их коммерческому внедрению по-прежнему препятствует высокая стоимость катализаторов на основе благородного металла платины (Pt), используемых для реакции восстановления кислорода на катоде. Эти катализаторы определяют не только эффективность преобразования энергии и срок службы топливных элементов, но и их стоимость и возможности широкого применения. Перспективы развития топливных элементов требуют создания высокоэффективных катализаторов восстановления кислорода, стоимость Pt в которых приемлема для крупномасштабного производства. Значительные усилия направлены на оптимизацию наноструктур на основе Pt и совершенствование функциональных носителей, чтобы повысить активность катализаторов и снизить их стоимость. Повышение эффективности использования Pt и доступной площади поверхности, сокращение расхода Pt и стоимости катализатора, ускорение массопереноса и переноса электронов, снижение коррозии носителей и агрегации частиц Pt в сочетании с применением прочных и эффективных функциональных носителей способны значительно повысить эксплуатационные характеристики и срок службы электрокатализаторов на основе Pt и приблизить широкое коммерческое применение топливных элементов.

В этом обзоре мы рассматриваем последние достижения в разработке катализаторов на основе Pt и связанные с ними проблемы при использовании в топливных элементах. Развитие этих катализаторов представлено по четырём направлениям: (1) создание наноструктур на основе Pt разных масштабов; (2) регулирование состава сплавов на основе Pt с использованием нескольких элементов; (3) совершенствование архитектуры углеродных и неуглеродных носителей; (4) разработка интегрированных катализаторов на основе Pt для топливных элементов. В заключение мы обозначаем задачи дальнейших исследований, включая изучение механизма реакции, динамических изменений и взаимосвязи структуры и активности. Они связаны прежде всего с разработкой способов получения интегрированных катализаторов на основе Pt — объединением наноструктур Pt с наноуглеродами; оценкой характеристик с использованием стандартизированных протоколов измерений, лабораторных испытаний на вращающемся дисковом электроде (RDE) и эксплуатационных испытаний мембранно-электродного блока (MEA); применением современных методов анализа — спектроскопии, электронной микроскопии и измерений in situ; а также передовых методов моделирования, расчётов и искусственного интеллекта, включая машинное обучение и скрининг больших массивов данных. Для рационального создания интегрированных катализаторов восстановления кислорода с низкой стоимостью и высокой активностью необходимы комплексная разработка многоуровневых, многокомпонентных и высокоэнтропийных наноструктур сплавов на основе Pt, а также создание новых устойчивых носителей. Это позволит глубже понять механизм реакции, динамику изменений и взаимосвязь структуры и характеристик катализаторов на основе Pt в топливных элементах и других энергетических технологиях.