Угарный газ помог создать ультратонкие металлические плёнки для катализаторов топливных ячеек

Учёные из Корейского института энергетических исследований представили способ, который позволяет использовать угарный газ — хорошо известный токсичный для человека газ — как инструмент для точного контроля толщины металлических плёнок на уровне около 0,3 нанометра. Эта технология открывает путь к более быстрым и экономичным методам производства каталитических материалов для водородных топливных ячеек и способна заметно усилить позиции всей отрасли. Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.

В топливных элементах ключевую роль играют каталитические материалы. Наиболее перспективной считается архитектура «core–shell», когда внутреннее ядро выполняется из относительно недорогого металла, а поверх наносится сверхтонкая оболочка из платины. Платина обеспечивает высокую реакционную способность, но её стоимость заставляет инженеров искать способы сократить расход. Тонкая оболочка решает эту задачу: производительность остаётся высокой, а содержание дорогого металла минимизируется. Однако технологическая сложность заключается в том, что платиновый слой должен быть атомарно тонким, равномерным и хорошо закреплённым на поверхности ядра.

До сих пор для этого использовали метод медного осаждения при недонапряжении (Cu-UPD). Он подразумевает, что на поверхность сначала наносится одноатомный слой меди, а затем он заменяется платиной. Процесс требует чрезвычайно точного управления напряжением, а перед нанесением необходимо удалять оксиды с поверхности металла. Это замедляет производство и усложняет масштабирование.

Чтобы избежать этих ограничений, исследователи предложили технологию CO Adsorption-Induced Deposition (CO AID). В её основе — способность угарного газа прочно связываться с металлическими поверхностями. В быту это свойство делает CO опасным: в дыхательных путях он блокирует перенос кислорода, соединяясь с железом в крови. В лаборатории же этот же феномен использовали как инструмент: газ образует на металлическом ядре монослой адсорбции, после чего платина избирательно восстанавливается именно на этой поверхности. Это позволяет формировать оболочку с точностью до трёх десятимиллиардных метра, без введения внешних восстановителей и без электрохимических систем.

Метод CO AID значительно сокращает длительность процесса. Если медное осаждение требует более суток, то новая технология позволяет получать килограммовые партии катализаторов всего за 30 минут — 2 часа. Команда протестировала подход на нескольких металлах — палладии, золоте, иридии. Созданный палладий-платиновый катализатор продемонстрировал около двухкратного увеличения активности кислородного восстановления по сравнению с коммерческими Pt/C-материалами и примерно полуторное повышение долговечности.

Доктор Пак в интервью подчеркнул, что идея проекта родилась из стремления «превратить токсичность угарного газа в инструмент для атомарного контроля». По его словам, возможность управлять материалами на уровне отдельных слоёв и при этом резко уменьшить время синтеза «формирует новую парадигму, которая имеет реальные шансы выйти на рынок».

Доктор Квон отметил, что способность формировать ультратонкие оболочки с помощью столь простого вещества, как CO, может вывести разработку за пределы области топливных элементов. По его словам, метод потенциален и для технологий производства наночастиц в электронике, включая полупроводниковые материалы и тонкоплёночные покрытия.