Водород был бы идеальным носителем энергии: избыток энергии ветра мог бы разделить воду на элементы. Водород может с большой эффективностью приводить в действие электромобили, работающие на топливных элементах. Хотя единственным выхлопом будет вода, запас хода может быть обычным. Но автомобили на топливных элементах по-прежнему являются редким исключением.
Требуемая платина (Pt) чрезвычайно дорога, и годового производства в мире не хватит для всех автомобилей.Ключевым компонентом топливного элемента является платиновый катализатор, который используется для восстановления кислорода. Хорошо известно, что не вся поверхность, а только несколько особенно открытых участков платины, так называемые активные центры, являются каталитически активными.
Команда ученых из Технического университета Мюнхена и Рурского университета Бохума (Германия), Высшей школы нормального образования (ENS) де Лион, Национального центра научных исследований (CNRS), Университета Клода Бернара Лион 1 (Франция) и Лейденского университета (Нидерланды) решили определить, что представляет собой активный центр.Изучение моделиРаспространенным методом, используемым при разработке катализаторов и моделировании процессов, происходящих на их поверхности, является компьютерное моделирование. Но по мере увеличения числа атомов квантово-химические расчеты быстро становятся чрезвычайно сложными.
С помощью своей новой методологии под названием «графики координации-активности» исследовательская группа представляет альтернативное решение, которое элегантно коррелирует геометрические и адсорбционные свойства. Он основан на «обобщенном координационном числе» (GCN), которое учитывает непосредственных соседей атома и координационные числа его соседей.Рассчитанное с помощью нового подхода, типичная поверхность Pt (111) имеет значение GCN 7,5.
Однако согласно графику координационная активность оптимальный катализатор должен достигать значения 8,3. Требуемое большее количество соседей может быть получено, например, путем создания на поверхности платины полостей атомного размера.Успешный практический тестЧтобы проверить точность своей новой методологии, исследователи с помощью расчетов разработали новый тип платинового катализатора для топливных элементов.
Модельные катализаторы были приготовлены экспериментально с использованием трех различных методов синтеза. Во всех трех случаях катализаторы проявляли до трех с половиной раз большую каталитическую активность.«Эта работа открывает совершенно новый путь для разработки катализаторов: дизайн материалов, основанный на геометрических принципах, которые более проницательны, чем их энергетические эквиваленты», — говорит Федерико Калле-Вальехо. «Еще одно преимущество метода состоит в том, что он явно основан на одном из основных принципов химии: координационных числах.
Это значительно облегчает экспериментальную реализацию расчетных схем».«Обладая этими знаниями, мы могли бы разработать наночастицы, которые содержат значительно меньше платины или даже включают другие каталитически активные металлы», — говорит профессор Александр С. Бондаренко, профессор Мюнхенского технического университета. «А в будущем мы, возможно, сможем распространить наш метод на другие катализаторы и процессы».