Водородные топливные элементы считаются перспективным источником чистой энергии, поскольку вырабатывают электричество за счёт реакции водорода и кислорода. Однако их широкое внедрение сдерживается рядом технологических ограничений. Одно из них — медленная реакция восстановления кислорода на катоде, а также постепенная деградация катализаторов при длительной эксплуатации.
Традиционные платиносодержащие катализаторы обладают высокой структурной стабильностью, но их атомный состав и расположение сложно контролировать. Это затрудняет оптимизацию их электронной структуры и не позволяет одновременно добиться высокой активности и долговечности, особенно в сложных условиях, например, при использовании в транспорте.
Чтобы решить эту проблему, исследователи предложили новый подход к проектированию катализаторов, позволяющий точно контролировать атомный состав и электронную структуру. В результате был создан тройной интерметаллический нанокатализатор на основе платины, кобальта и марганца (Pt-Co-Mn), сочетающий стабильность и управляемые свойства.
Важную роль сыграли кислородные вакансии (дефекты в кристаллической структуре, где отсутствуют атомы кислорода) на границе катализатора с оксидной подложкой. Они помогли атомам выстроиться в нужном порядке, что раньше было трудно достижимо.
Особенность исследования в том, что ученые не просто измерили эффективность готового катализатора, а с помощью теоретической модели объяснили, как именно формируется нужная структура на атомном уровне. Это создаёт основу для более точного проектирования катализаторов, а не подбора их свойств методом проб и ошибок.
Разработка ускоряет реакцию восстановления кислорода и демонстрирует долговечность благодаря оптимизированной электронной структуре. В испытаниях массовая активность катализатора оказалась более чем в десять раз выше по сравнению с коммерческими катализаторами Pt/C. При этом после 150 тыс. циклов ускоренных тестов он сохранил свыше 96% первоначальной эффективности, подтвердив высокую устойчивость к деградации.
В тестах мембранно-электродного блока разработка превзошла целевые показатели Министерства энергетики США на 2025 год и показала более высокую мощность при больших нагрузках. Это открывает путь к более широкому использованию водородных топливных элементов — как в электромобилях, так и в стационарных энергетических системах.
