Учёные выяснили, как галлий повышает долговечность катализаторов для водородных топливных элементов

Международная группа исследователей использовала передовую технику томографии для изучения деградации катализаторов в топливных элементах на атомном уровне. Открытие объясняет, как добавление галлия значительно повышает долговечность и эффективность катализаторов.

Трёхмерные атомные структуры и каталитическая активность наночастиц PtNi, легированных галлием, во время циклирования потенциала. Верхний ряд показывает 3D-атомные структуры на разных стадиях (от исходного состояния до 12 000 циклов; синий: платина, розовый: никель). Нижний ряд визуализирует каталитическую активность реакции восстановления кислорода (ORR), где красный цвет указывает на более высокую активность. Легирование галлием стабилизирует октаэдрическую геометрию и сохраняет высокоактивные грани {111}, обеспечивая устойчивую каталитическую производительность даже после интенсивного циклирования. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63448-5

Команда под руководством профессора Йонгсу Янга из KAIST применила технику атомной электронной томографии (AET) с помощью нейронных сетей. Этот метод позволяет точно определять положение тысяч атомов внутри наноматериалов, подобно тому как компьютерная томография показывает внутренние структуры человеческого тела.

Исследователи сравнили обычные платино-никелевые (PtNi) катализаторы с катализаторами, легированными галлием (Ga). Результаты показали:

• Легированные галлием частицы сохраняли свою оптимальную октаэдрическую форму даже после 12 000 рабочих циклов
• Галлий предотвращал вымывание атомов никеля, сохраняя структурную стабильность
• Катализаторы с галлием сохраняли почти оптимальную нагрузку, критически важную для активности восстановления кислорода
• После 12 000 циклов обычные катализаторы теряли ~17% активности, в то время как легированные галлием — только ~4%

«Эти результаты впервые показывают истинную 3D-динамику деградации катализаторов топливных элементов на атомном уровне», — объяснил доктор Янг.

Исследование открывает путь к созданию более долговечных и эффективных катализаторов, что может снизить стоимость водородных топливных элементов и ускорить переход к водородной энергетике.