Криоизображение приоткрывает завесу над слоями катализатора топливных элементов

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 26 апреля 2023 г., 21:00:03 MSK
  • 0 комментариев
  • 26 просмотров
Благодаря новой комбинации криогенной просвечивающей электронной томографии и глубокого обучения исследователи EPFL впервые взглянули на наноструктуру слоев платинового катализатора, показав, как их можно оптимизировать для повышения эффективности топливных элементов.

Протонообменные мембранные топливные элементы (PEMFC), которые разрабатываются для использования в электромобилях, основаны на наночастицах, называемых катализаторами, для запуска реакций производства электроэнергии между водородом и кислородом. Большинство катализаторов PEMFC содержат платину - редкий и драгоценный металл. Поэтому существует острая глобальная потребность в разработке катализаторов, способных генерировать максимальную мощность при минимальном содержании платины.

Производители объединяют эти катализаторы в сложные узлы, называемые каталитическими слоями. До сих пор им приходилось делать это без детального изображения полученной структуры, поскольку традиционные процессы визуализации почти всегда приводят к некоторой степени повреждений. Василики Тилели, руководитель лаборатории определения характеристик наноматериалов in situ с помощью электронов в Инженерной школе, нашла способ обойти эту проблему. Визуализируя катализаторы и окружающую их среду при температурах ниже нуля с помощью криогенной просвечивающей электронной томографии и обрабатывая изображения с помощью глубокого обучения, ей и ее коллегам впервые удалось выявить наноразмерную структуру слоев катализатора.

"Нам все еще далеко до PEMFC без платины, которая очень дорога, поэтому в краткосрочной перспективе нам необходимо снизить загрузку платины, чтобы сделать эту технологию жизнеспособной для массового производства. Поэтому крайне важно понять, как платина располагается по отношению к другим материалам в слое катализатора, чтобы увеличить площадь контакта, необходимую для протекания химических реакций", - объясняет Тилели.

"Вот почему изображение этих катализаторов в трех измерениях является настоящим достижением; раньше было невозможно добиться правильного контраста между различными компонентами слоя катализатора". Эта работа недавно была опубликована в журнале Природный катализ.

Лучшая сохранность; более высокое разрешение

Во время получения изображений с помощью обычной электронной микроскопии тонкие образцы слоя катализатора часто повреждаются электронными пучками, что приводит к усадке или деформации материалов. Путем проведения визуализации на месте при криотемпературах Тилели и ее команда смогли сохранить большую часть морфологии слоя катализатора. Затем они использовали алгоритм машинного обучения для более точного определения шума и классификации изображений, что позволило им достичь более высокого разрешения изображения, чем когда-либо ранее было возможно.

Важно отметить, что ученым удалось выявить неоднородную толщину слоя пористого полимера на катализаторах, называемых иономерными. Толщина иономера сильно влияет на то, насколько хорошо работают платиновые катализаторы.

"Иономер должен иметь определенную толщину, чтобы каталитические реакции протекали эффективно. Поскольку мы могли бы провести полную реконструкцию слоев катализатора с ограниченным повреждением структуры, мы смогли бы впервые показать, сколько платины покрыто иономером и какова толщина этого покрытия", - объясняет Тилели.

Такая информация могла бы стать золотой жилой для производителей катализаторов, которые могли бы использовать ее для производства катализаторов с большим количеством частиц платины, которые покрыты нужным количеством иономера и, следовательно, работают оптимально.

"Крио-аспект является ключевым компонентом этого исследования. Иономеры подобны белкам: они мягкие и требуют условий замораживания для стабилизации и защиты своей структуры", - говорит Тилели.

"Таким образом, я думаю, что эта передовая технология будет полезна не только для облегчения массового производства ПЭМФУ за счет оптимального использования платины, но и для многих различных применений в материаловедении и энергетике - например, для хранения аккумуляторов, электролиза воды и систем преобразования энергии в целом".

Комментарии

0 комментариев