Прорыв в топливных элементах: новая надежда для дата-центров

Стремительное расширение дата-центров по всей территории США создает растущее давление на национальную энергосистему. Эти объекты требуют огромных объемов энергии не только для работы вычислительного оборудования, но и для его охлаждения. По оценкам Института исследования электроэнергии (Electric Power Research Institute), к 2030 году на дата-центры может приходиться до 9% годовой выработки электроэнергии в США, тогда как в 2023 году этот показатель составлял 4% от общего спроса на электроэнергию.

Ученые исследуют способы снижения этой нагрузки. Команда под руководством Ганга Ву, профессора Вашингтонского университета в Сент-Луисе, разработала подход, который может улучшить низкотемпературные топливные элементы и расширить их применение в качестве альтернативного источника электроэнергии.

В состав исследовательской группы также вошли ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории, Лоуренс-Беркли Национальной лаборатории, Северо-Восточного университета и Питтсбургского университета. Результаты их работы были опубликованы 6 августа 2026 года в журнале Nature Nanotechnology.

"Если дата-центр сможет самостоятельно обеспечивать себя электроэнергией, используя топливные элементы, он будет напрямую преобразовывать водород и другие виды топлива в электричество, снижая нагрузку на энергосеть", — отметил Ву.

Повышение эффективности и долговечности топливных элементов

Топливные элементы вырабатывают электричество путем соединения водорода и кислорода. В процессе также образуются вода и тепло. Катализаторы помогают ускорить эту реакцию, одновременно ограничивая потери энергии и обеспечивая более высокую производительность и длительный срок службы.

Разработка правильного катализатора остается серьезной проблемой. Существующие катализаторы для топливных элементов по-прежнему испытывают трудности с обеспечением необходимой активности и долговечности для достижения важных показателей производительности.

Платина считается одним из наиболее эффективных каталитических материалов, но при этом является драгоценным металлом. Поэтому исследователи стремятся использовать минимальное количество платины, не снижая при этом эффективности катализатора при преобразовании и хранении энергии.

Один из способов более экономного использования небольшого количества платины — превращение ее в наночастицы. Измельчение массивной платины до чрезвычайно мелких частиц значительно увеличивает площадь поверхности, доступную для химических реакций. Это позволяет использовать очень малые количества металла, обычно менее одной четвертой миллиграмма на квадратный сантиметр.

Проблема заключается в том, что наночастицы платины могут изменяться во время работы топливного элемента. Они могут растворяться, перемещаться в другие места и увеличиваться в размерах, что приводит к постепенному снижению производительности.

Давняя проблема платиновых катализаторов

В последнее время интерметаллические платиновые катализаторы стали перспективной альтернативой традиционным платиновым сплавам, поскольку они могут обеспечивать повышенную активность и стабильность.

Однако их производство сопряжено с еще одним сложным компромиссом. Чтобы сохранить наночастицы маленькими, равномерно распределенными и эффективно использующими платину, исследователи обычно подвергают материалы отжигу при температурах ниже 700°C. Такие температуры часто оказываются недостаточными для полного перехода от неупорядоченного атомного расположения к высокоупорядоченному, что важно для максимального повышения активности и долговечности интерметаллических катализаторов.

Ву и его коллеги разработали новую углеродную структуру, призванную преодолеть это ограничение. Материал состоит из пористых, полых углеродных сфер с упорядоченными радиальными наноканалами, а также значительным объемом пор и площадью поверхности.

Эта структура позволяет большому количеству интерметаллических наночастиц платины и кобальта оставаться плотно упакованными, но при этом равномерно распределенными. Она также позволяет формировать желаемую упорядоченную интерметаллическую структуру при гораздо более высоких температурах, не вызывая слипания наночастиц.

Таким образом, исследователям удалось разрешить сложный компромисс между достижением высокоупорядоченной атомной структуры и сохранением равномерного распределения очень мелких каталитических частиц.

"Наша стратегия заключается в использовании этой новой углеродной наноструктуры для синтеза интерметаллических наночастиц платины и кобальта, которые могут снизить содержание драгоценных металлов и повысить активность и стабильность", — сказал Ву. "Традиционно существовал компромисс между размером и стабильностью, но с упорядоченным углеродным наноканальным носителем, наночастицы платины и кобальта могут быть ограничены и оставаться стабильными при очень малых размерах частиц даже при высоких температурах".

Крошечные углеродные каналы помогают платине служить дольше

Более крупные каталитические частицы могут повысить стабильность, но это часто происходит за счет активности. Другие подходы, отдающие предпочтение активности, могут жертвовать долгосрочной стабильностью.

Команда Ву стремилась добиться обоих результатов, создав наноструктурированный углеродный носитель с крошечными каналами, расположенными радиально. Исследователи также тщательно контролировали размер и объем пор.

В ходе испытаний материал сохранил 85% своей производительности после 150 000 суровых циклов напряжения. Исследователи полагают, что это соответствует примерно 25 000 часов работы. Сочетание более крупных пор, тщательно организованных размеров пор и высокой площади поверхности помогло катализатору преодолеть обычный компромисс между активностью и стабильностью.

"Благодаря этому особому углеродному наноструктурированному носителю мы смогли нагреть катализатор из платины и кобальта до 1000°C, что достаточно для формирования очень упорядоченной структуры, при этом сохраняя наночастицы размером менее 5 нанометров и хорошо распределенными, даже при предпочтительном для промышленности высоком содержании платины в катализаторах", — сказал Ву.

Нагрев катализатора до такой высокой температуры позволил его атомам сформировать упорядоченную структуру, необходимую для более высокой производительности. В то же время углеродный носитель сохранял наночастицы платины и кобальта размером менее 5 нанометров и предотвращал их неравномерное распределение.

Потенциальный путь к улучшенной мощности топливных элементов

Архитектура углеродного носителя предлагает дополнительные преимущества, помимо стабилизации наночастиц. Его открытые каналы помогают материалам, участвующим в транспорте ионов, более равномерно распределяться по электроду. Они также обеспечивают более легкие пути для перемещения протонов, кислорода и воды.

"Структура открытых каналов также помогает равномерно распределяться ионосодержащему материалу, такому как иономер, и облегчает перемещение протонов, кислорода и воды через электрод", — продолжил Ву. "В результате наночастицы платины и кобальта, встроенные в этот носитель, продемонстрировали лучшие в своем классе характеристики и длительную долговечность. В конечном итоге, благодаря дальнейшим разработкам и сотрудничеству с промышленными партнерами, мы сможем решить оставшиеся проблемы с катализаторами и значительно продвинуть технологии топливных элементов для более эффективного и устойчивого питания нашего будущего".

Если дальнейшие разработки окажутся успешными, эта технология может помочь улучшить топливные элементы для различных применений, от транспорта до производства электроэнергии. В частности, для дата-центров топливные элементы могут предложить способ генерации электроэнергии непосредственно из водорода или других видов топлива, потенциально снижая часть растущего спроса на электросеть.