Материалы портала «Научная Россия»

Ученые из Сибири разработали новый материал для низкотемпературных топливных элементов

Ученые из Сибири разработали новый материал для низкотемпературных топливных элементов
Электричество, произведенное топливными элементами, может использоваться для питания зданий, приборов или машин

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, сообщает издание «Наука в Сибири»

Исследователям удалось повысить устойчивость углеродного носителя (одна из основных частей топливного элемента) к окислению, возникающему при использовании ТЭ 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 нам аккумуляторов реагенты находятся внутри. В ТЭ химическая энергия топлива (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 ТЭ.  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 килограмм 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 ФЕН НГУ Виктор Александрович 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 см2 на 1 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 ДВС 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 см2/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 ИК СО РАН кандидата химических наук Евгения Николаевича 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.

 

протон-проводящая мембрана топливные элементы топливо

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий