Исследователи разработали технологию, которая использует монооксид углерода, обычно вредный для человека, для точного контроля металлических тонких плёнок толщиной 0,3 нанометра. Эта технология позволяет ускорить и упростить производство катализаторов типа «ядро — оболочка», что является ключевым фактором в повышении экономической целесообразности топливных элементов. Ожидается, что это значительно подстегнёт развитие соответствующих отраслей.
Результаты опубликованы в журнале ACS Nano. В команду исследователей входят доктор Гу-Гон Парк, доктор Ёнмин Квон и доктор Эунджик Ли из Лаборатории водородных топливных элементов Корейского института энергетических исследований.
Катализаторы типа «ядро — оболочка» — это катализаторы, у которых внутреннее ядро и внешняя оболочка состоят из разных металлов. Обычно ядро состоит из недорогого металла, а оболочка — из платины, которая способствует реакциям в топливных элементах. Такая структура позволяет поддерживать высокую производительность при использовании лишь небольшого количества дорогой платины, что делает катализаторы типа «ядро — оболочка» стратегическим фактором в повышении экономической целесообразности топливных элементов.
Чтобы достичь высокопроизводительной структуры «ядро — оболочка», необходимо точно нанести атомарно тонкую оболочку на поверхность ядра. Для этого используется метод медного подпотенциального осаждения (Cu-UPD), который позволяет точно контролировать толщину оболочки. Сначала на ядро наносится тонкий слой недорогого меди, а затем происходит замещение платиной.
Однако этот подход требует высокоточного контроля напряжения для формирования атомного слоя меди, включая дополнительные шаги по удалению поверхностных оксидов. Эти факторы усложняют и затягивают массовое производство катализаторов типа «ядро — оболочка».
Для решения этой проблемы команда разработала метод адсорбции CO, индуцированной осаждением (CO AID), который использует окислительно-восстановительные свойства монооксида углерода. Этот метод позволяет точно наносить металлическое покрытие без дополнительных шагов или восстановителей и сокращает время обработки до одной десятой от традиционных методов.
Исследователи обратили внимание на сильное сродство монооксида углерода к металлическим поверхностям. CO легко прилипает к металлам, а при вдыхании прочно связывается с ионами железа в крови, препятствуя транспортировке кислорода и представляя серьёзную опасность для здоровья. Эта характеристика объясняет, почему CO широко известен как опасный газ.
На основе этого открытия команда позволила монооксиду углерода адсорбироваться на поверхности ядра металла в виде одномолекулярного слоя. Затем платина была селективно восстановлена на этом слое, что позволило исследователям точно контролировать толщину оболочки на ультратонком уровне около 0,3 нанометра.
С помощью этого подхода можно производить килограммы катализаторов типа «ядро — оболочка» всего за 30 минут — 2 часа, что является впечатляющим улучшением по сравнению с традиционными методами медного осаждения, которые занимают более 24 часов. Более того, поскольку процесс использует присущую монооксиду углерода окислительно-восстановительную активность, это устраняет необходимость в электрохимических системах или дополнительных восстановителях.
Используя недавно разработанный метод, команда изготовила катализаторы типа «ядро — оболочка», покрыв платиной такие металлы, как палладий, золото и иридий. Примечательно, что палладиевый платиновый катализатор типа «ядро — оболочка» продемонстрировал примерно вдвое большую активность при восстановлении кислорода (ORR) и в 1,5 раза большую долговечность по сравнению с коммерчески доступными платиноуглеродными (Pt/C) катализаторами.
Доктор Парк, ведущий исследователь, объяснил: «Эта работа возникла из идеи преобразования токсичности монооксида углерода в инструмент для управления тонкими плёнками на наноуровне. Позволяя точно проектировать материалы на атомном уровне и значительно сокращая время обработки, технология представляет новую парадигму синтеза с отличными перспективами для коммерциализации».
Доктор Квон, член исследовательской группы, отметил: «Возможность манипулировать поверхностями металлических наночастиц на атомном уровне с помощью такого простого вещества, как монооксид углерода, означает, что эта технология может иметь далеко идущие последствия — не только для производства катализаторов топливных элементов, но и для развития производства наночастиц в таких областях, как полупроводники и тонкоплёночные материалы».
Предоставлено Национальным советом по научным и технологическим исследованиям.