Недавно команда профессора Ван Чжэньбо из Институтахимической инженерии и химии Харбинского политехнического университета (ХПУ) достигла значительногопрогресса в области разработки электрокатализаторов для протонно-обменных мембранных топливных элементов. Исследователи предложилиинновационную стратегию термоактивации, основанную на принципе, аналогичном водородному охрупчиванию, что позволило имуспешно создатьатомарно-диспергированные катализаторы.
Результаты работыизложены в статье «Synthesis of atomically dispersed catalysts via hydrogen embrittlement-like assisted thermal activation for acidic oxygen reduction»и опубликованы в журнале «Nature Communications». Данное исследованиеоткрывает новые перспективы для проектирования и применения катодных катализаторов нового поколения в протонно-обменных мембранных топливных элементах.
Для решения научной проблемы, связанной с трудностью получения одноатомного диспергированного состояния 4d/5d переходныхметалловиз-завысокой энергиикогезии,команда профессора Ван Чжэньбо предложила оригинальную стратегию термоактивации, аналогичнуюводородному охрупчиванию. Ключевой механизм этой стратегии заключается в следующем: в процессе высокотемпературного синтеза проникновение водорода ослабляет металл-металлические взаимодействия внутри кластеров 4d/5d металлов. Водород диффундирует внутрь металлических кластеров, вызывая их деструкциюс образованием отдельных атомов металла.Затем эти атомы закрепляются азотом, внедренным в углеродную матрицу, формируя стабильные активные центры типа M-N₄.
Используя рутений в качестве модельной системы, исследовательская группа с помощью ex situ электронной микроскопии и спектрального анализа предоставила убедительные доказательства предложенного механизма: в процессе термической обработки в атмосфере водорода проникновение водорода разрушает связи Ru-Ru, способствуя превращению кластеров рутения в изолированные центры RuN₄. Экспериментальные результаты показали, что полученный таким методом катализатор NC-Ru-950 демонстрирует превосходную каталитическую активность и стабильность в реакции восстановления кислорода в кислой среде и в протонно-обменных мембранных топливных элементах. Данная работа представляетэффективную и универсальную стратегию стабилизации 4d/5d переходных металлов в форме одноатомных катализаторов, открывая перспективныйподход к созданию высокоэффективных электрокатализаторов.
Схема создания атомарно-диспергированного катализатора на основе рутения с использованием стратегии термоактивации, аналогичной водородному охрупчиванию
Харбинский политехнический университет является первым учреждением, указанным в авторской принадлежности статьи. Аспирант Институтахимической инженерии и химии Го Пань –первый автор статьи. Профессор Ван Чжэньбо, профессор Чжао Лэй, доцент Чжан Юньлун из Институтахимической инженерии и химии, а также доктор Шэнь Лисяо из Шэньчжэньского университета являются ответственными авторами. Соавторами выступили аспиранты Институтахимической инженерии и химии Дай Юнькунь, Лю Бин, Ма Мяо, Лю Бо, Чжан Цзыюй, аспирант Харбинского инженерного университета Чжао Цзыган, а также профессор Чэнь Айбин из Хэбэйского университета науки и технологий.
Исследование проведено при поддержке грантовНациональногофондаестественных наук Китая, Ключевой программыисследований и разработок провинции Шаньдун, Фондаестественных наук провинции Хэйлунцзян и другими.