Рейтинг@Mail.ru
Авторизация
Логин:
Пароль: забыли пароль?




Новосибирские ученые создали новый материал для низкотемпературных топливных элементов


Ученые Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН и Новосибирского государственного университета создали новый, более стабильный материал для низкотемпературных топливных элементов с протон-проводящей мембраной.

Исследователям удалось повысить устойчивость углеродного носителя (одна из основных частей топливного элемента) к окислению. Оно возникает при использовании топливного элемента в качестве замены двигателей внутреннего сгорания.

Детали опубликованы в журнале International Journal of Hydrogen Energy .

Топливный элемент - устройство, вырабатывающее электричество при взаимодействии водорода и кислорода, подающихся извне. В привычных же аккумуляторах реагенты находятся внутри. В топливном элементе химическая энергия водорода превращается в электрическую и тепловую с попутным образованием воды, в отличие от процесса горения, где вся энергия выделяется в виде тепла. Электричество, произведенное топливными элементами, может использоваться для питания зданий, приборов или машин. Автомобиль, работающий на топливном элементе - это, по сути, электромобиль, двигатель которого "заправляется" электрическим током, производимым топливными элементами. Такие "водородомобили" уже есть в серийном производстве на автоконцернах Toyota, Honda и Hyundai.

Мощность силовой установки этих машин составляет около 100-113 кВт (135-154 л. с.), заявленный запас хода при полной заправке - 500—700 км, время заправки не превышает трех минут: около 5 килограммов водорода заливается в толстостенный бак, выдерживающий давление 700 атмосфер.

Типов топливных элементов довольно много - твердооксидные, щелочные, низкотемпературные с протон-проводящей мембраной и другие. У всех в составе есть электроды - анод и катод, электролит и водородное топливо от внешнего источника питания. Газообразный водород подается на анод, где он распадается на электроны и протоны, электроны идут по внешней цепи, совершая полезную работу. Через электролит — протон-проводящую мембрану проходят протоны, и на катоде, на платине, происходит реакция восстановления кислорода. Он встречается и с протонами, и с электронами, прошедшими по внешней цепи, в результате такого взаимодействия получается обычная вода.

"Преимуществ у низкотемпературных элементов - масса: основное - это высокая экологичность, в атмосферу ничего, кроме водяного пара, не летит. Другое - небольшая температура работы, они действуют при температуре ниже 100°С, а иногда даже при комнатной. Более того, у топливных элементов с протон-проводящей мембраной очень высокий КПД, порядка 80-85%. Для сравнения, у двигателя внутреннего сгорания КПД порядка 20%, максимум 30%", - рассказал младший научный сотрудник Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН, ассистент кафедры физической химии НГУ Виктор Головин.

Протон-проводящая мембрана - сложный полимер, обладающий способностью пропускать положительно заряженные ионы и блокировать проход электронов. По обе ее стороны нанесен катализатор, облегчающий реакцию между кислородом и водородом. Обычно катализатор - это порошок из углеродного материала (нанотрубки, сажи) с нанесенными на его поверхность частичками платины, размером около 3 нанометров.

Носитель - углеродный материал — важная часть топливного элемента, и к носителю предъявляются очень высокие требования. Он должен быть пористым, с хорошей электропроводностью и при этом обладать высокой поверхностью. Понятие высокой поверхности можно объяснить на примере губки - у нее много пор, и если ее разгладить, то площадь расправленной поверхности будет гораздо больше площади исходной губки. Углеродный носитель, используемый в топливных элементах, обычно обладает поверхностью от 200 до 2000 кв см на один грамм.

Несомненные достоинства топливных элементов вызывают желание воскликнуть – "Прощай, бензин!". Ведь автомобиль, работающий на низкотемпературном топливном элементе, это должно быть прекрасно и очень удобно, если, конечно, не брать в расчет отсутствие инфраструктуры заправок с водородным топливом. Но, как говорится, скоро только сказка сказывается…

"Все, казалось бы, хорошо с топливными элементами, но всегда есть подводные камни, здесь - это стоимость и стабильность катализаторов. Чистая платина сама по себе дорогая, к тому же стоимость сильно увеличивает и технология производства катализатора: нужно, чтобы благородный металл был равномерно нанесен на мембрану мелкими частичками, да еще и активен. Что касается стабильности - раз уж мы загрузили ценную платину, хочется, чтобы катализатор работал как можно дольше. Топливный элемент - это одна из основных, самых дорогих частей автомобиля. Его стабильность нарушается при окислении - начинает разрушаться углеродная подложка катализатора, и производительность топливного элемента падает, но, к счастью, при потенциалах на электроде менее 1 вольта углерод горит очень-очень медленно", - объяснил Виктор Головин.

Потенциалы выше 1 вольта не поднимутся, если использовать топливный элемент как стационарный источник питания - для объекта, который потребляет в течение дня примерно постоянное количество энергии. Например, в больнице - там и днем и ночью нужен свет, работа аппаратов и т.д. В таком случае не возникает скачков напряжения на электродах.

При использовании топливного элемента в машине вместо двигателей внутреннего сгорания часты ситуации, когда двигатель немного поработал и остановился, например, если мы куда-то приехали и ушли по делам. При этом на аноде остается водород, что очень опасно - он может взорваться, и поэтому анодное отделение продувают воздухом. В этот момент там одновременно присутствуют и кислород, и водород. Потенциал анода, и, как следствие, катода увеличивается - во время включения и выключения двигателя, напряжение на электродах может скачкообразно возрастать вплоть до 1,4 V.

Столь высокие потенциалы вызывают сильнейшее разрушение углерода и платины, которая к тому же способна катализировать процесс разрушения углерода. Чтобы минимизировать его деструкцию, нужно убрать дефекты на поверхности сажи - мелкие поры.

"Целью нашей работы являлось создание таких углеродных носителей, которые будут как можно меньше подвержены окислению. Поэтому мы брали обычную коммерческую сажу KetjenBlack DJ-600 с поверхностью около 1400 кв см/г и модифицировали ее разными способами. Например, азот-содержащим пироуглеродом. Как это делалось? Через азотсодержащие соединения ацетонитрил или пиридин пропускался инертный газ (аргон или гелий), насыщался их парами, а потом его "продували" при высокой температуре (900°С, без доступа кислорода) через сажу. В этом случае каждая сажевая глобула покрывается пироуглеродной "шубой" с азотом в составе. "Шуба" нужна для того, чтобы закрыть поры, являющиеся очагами окисления и последующего разрушения. Но при этом, если покрывать сажевые глобулы чистым пироуглеродом без азота, платина будет хуже фиксироваться на углеродном носителе", - сказал исследователь.

Пироуглерод - пиролитический углерод, полученный в результате высокотемпературного разложения органических соединений (например, метана) в недостатке кислорода.

У азота есть неподелённая электронная пара, которая "зацепляет" платину и крепко фиксирует ее на углеродном слое. Таким образом, углеродная подложка равномерно покрыта тонким слоем крепко "вцепившейся" в него платины, и при этом на поверхности носителя нет мелких дырочек.

Синтезировав новый материал, ученые проверили его стабильность - она действительно увеличилась в разы по сравнению с немодифицированной сажей. Далее исследователи создали собственную модель механизма коррозии на основе метода циклической вольтамперометрии, которая постадийно описывает, происходящее с углеродным носителем во время окисления. До этого в научной литературе не были даны четкие критерии определения стабильности носителей.

"Под руководством научного сотрудника Института катализа СО РАН кандидата химических наук Евгения Грибова мы разработали в общем-то очень простую модель. Она легко все описывает, я не знаю, почему раньше в литературе ее не было. Мы обнаружили, что есть две стадии окисления - на первом этапе поверхность покрывается адсорбированным кислородом: он садится на дефекты на углероде. А на втором этапе начинается объемная деструкция — дефекты все покрыты кислородом, и начинает "разъедаться" сама система углеродного каркаса", - добавил Виктор Головин.

Сделав 40%-ные катализаторы (то есть содержащие сорок процентов платины, остальное - подложка, на основе новых азотсодержащих углеродных носителей), ученые обнаружили, что их стабильность гораздо выше, чем у катализаторов на основе как немодифицированных саж, так и модифицированных чистым углеродом (без азота), за счет того, что платина крепко "держится" за неподеленную электронную пару азота. Активность катализатора при этом остается высокой - он устойчив к окислительным стрессам при перепадах напряжения и сохраняет свою высокую работоспособность долгое время.

Спектр приложения результатов работы новосибирских химиков очень широк - это касается и созданной ими модели механизма коррозии углеродного носителя, и непосредственного применения нового материала.

"Деградация углеродных носителей встречается не только у топливных элементов, но и у суперконденсаторов, которые могут использоваться в автомобилях, а также в электросорбционных установках очистных сооружений, где углерод является электродом. Сами по себе топливные элементы, вероятно, займут прочное положение как дополнительный источник питания в военных и космических приложениях — там, где нет возможности просто зарядить аккумулятор. Наши разработки очень перспективны как в том, что касается электрохимии, так и в плане синтеза новых материалов", - подчеркнул Виктор Головин.

Надежда Дмитриева .

Из интернет-издания "Наука в Сибири" .



Елена Петрова, по материалам РИА Сибирь
Информационное агентство МАНГАЗЕЯ
Заметили ошибку в тексте?
Выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter

Добавить комментарий
Коммментариев: (0)

Добавить комментарий

 

Ремонт подлокотников дивана

Подробнее, о установка дверных замков в Екатеринбурге

Спонсорская лицензия в Великобританию

ТОП 5 новостей
За сегодня За неделю За месяц