Паливні елементи для народу
Чудо-батарейка, що працює на найпоширенішому у Всесвіті хімічний елемент - водні, стає реальністю. Новий тип каталізатора без платини значно здешевить вартість водневих паливних елементів - перспективних джерел енергії з областю застосування від автономних електростанцій і екологічно чистого автотранспорту до ноутбуків і мобільних телефонів.
Дослідницька група з Лос-Аламоської національної лабораторії (США) заявила, що їй вдалося отримати дешевий, ефективний і довговічний каталізатор без використання дорогої платини для паливних електрохімічних елементів, що працюють на воднево-кисневому циклі. Поки це найбільш екологічно дружні пристосування, що забезпечують пряме перетворення енергії хімічних зв'язків палива в електричну.
Єдиним продуктом реакції, що протікає в елементах такого типу, крім, звичайно, потрібних в господарстві вільних електронів, є вода.
Принцип дії електрохімічного паливного елемента воднево-кисневого типу // Academic
theregister.co.uk
Необхідність використання платини в конструкції водневого паливного елемента продиктована фізикою відбуваються в ньому процесів. Головне завдання електрохімічного паливного елемента - направити вільні електрони, що виникають в процесі окислювально-відновної реакції, відразу на вчинення роботи, минаючи стадію інтенсивного горіння, як це відбувається в класичних теплових генераторах енергії, що працюють на окисленні вуглецю.
Результатом такого «теплового відсікання» має стати високоефективне «холодну горіння» (в даному випадку горіння водню) при ККД, що перевищує ККД теплових генераторів, де велика кількість енергії втрачається на проміжних стадіях нагріву робочого тіла, скоєнні механічної роботи (розкрутка турбіни) або просто розсіюється в навколишньому середовищі.
У паливному елементі виконання нетривіальною завдання по досягненню «холодного горіння» відбувається в три стадії.
Детальніше:
На аноді такого елемента, покритому шаром каталізатора, паливо (в нашому випадку - водень) інтенсивно дисоціює, тобто, віддавши електрони, які надходять в зовнішній ланцюг для здійснення роботи, розпадається на іони (протони). На іншому кінці ланцюга електрони підходять до катода, де їх, теж за допомогою каталізатора, приєднує окислювач - кисень. Через шар іонопроводящего електроліту іони спрямовуються від анода до катода, де возз'єднуються з електронами і атомами водню - утворюється вода.
Як бачимо, ефективність роботи паливного елемента залежить від двох ключових елементів - електродів з функцією каталізаторів і електроліту.
Детальніше:
На зниження їх вартості, підвищення ефективності та розширення вікна робочих режимів кинуті зараз всі основні сили розробників. Так, рідкий електроліт вже вдалося замінити на спеціальні полімерні мембрани, які вміють пропускати тільки іони, дозволивши таким чином зменшити розміри елемента до ринково прийнятних в разі їх використання в мобільних гаджетах. В ідеалі батарея з таких елементів повинна укладатися в розміри сірникової коробки зі змінюваним паливним картриджем або навіть менше.
Що стосується електродів-каталізаторів, на яких зосередили свою інженерну думку співробітники Лос-Аламоської лабораторії, то тут головним каменем спотикання залишалася платина.
Проблемою, власне, не була сам метал, що виявляє чудово стабільні і ефективні каталітичні якості у відповідних температурних і вологісних режимах, а його ціна, яка доходила до двох тисяч доларів за унцію (приблизно 28 г), що робило водневі диво-елементи зовсім народним задоволенням . До того ж світові запаси платини кінцеві, і вистачить їх у разі широкого використання ТЕ максимум на 40-50 років.
Перебравши кілька альтернативних варіантів, американські хіміки знайшли-таки бесплатіновая рецепт каталізатора - ним виявилася складені композиція з кобальту, вуглецю і заліза, що отримується по строго певній технології за участю поліаніліну - полімеру, який володіє електронною провідністю за рахунок специфічних азотних зв'язків між кільцями.
Детальніше:
Дешевий, демократичний каталізатор на ділі показав себе зовсім не гірше платинового. Більш того: фінальна окислювальна реакція з утворенням води йшла з його участю з найбільш повного окислювальному циклу без побічного виходу перекису водню, для ніжної полімерної мембрани вкрай небажаною. Другим приємним бонусом стало стійке поведінку каталізатора в циклах включення і виключення струму, що теж дуже важливо, враховуючи режими, в яких паливні елементи і повинні працювати, забезпечуючи енергією всякого роду мобільні девайси.
Переможні реляції, однак, трохи затьмарює факт, що бесплатіновая каталізатор знайдений поки лише для одного з двох електродів паливного елемента - того, який запускає фінальну окислительную реакцію з утворенням води. Але і тут не обійшлося без бонуса: через специфіку протікання реакції на цьому електроді платини для його виготовлення потрібно набагато більше, ніж для розкладання водню на протони, що протікає більш швидко. Тому і економія від заміни платини на дешеві компоненти виявиться більш значною.