​​​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, 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 аккумуляторах 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 анод, 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.

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.
 
Надежда Дмитриева

Источники

Сибирские ученые создали новый материал для низкотемпературных топливных элементов
Наука в Сибири (sbras.info), 25/07/2017
Сибирские ученые создали новый материал для топливных элементов электромобилей
Яндекс.Новости (news.yandex.ru), 25/07/2017
Сибирские ученые создали новый материал для топливных элементов электромобилей
VN (vigornews.ru), 25/07/2017
Сибирские ученые создали новый материал для топливных элементов электромобилей
Новости@Rambler.ru, 25/07/2017
Сибирские ученые создали новый материал для топливных элементов электромобилей
ТАСС, 25/07/2017
Сибирские ученые создали новый материал для топливных элементов электромобилей
Спутник Новости (news.sputnik.ru), 25/07/2017
Новосибирские ученые создали новый материал для низкотемпературных топливных элементов
Vestisibiri.ru, 06/08/2017
Новосибирские ученые создали новый материал для низкотемпературных топливных элементов
ИА МАНГАЗЕЯ (mngz.ru), 06/08/2017
Новосибирские ученые создали новый материал для низкотемпературных топливных элементов
Монависта (novosibirsk.monavista.ru), 05/08/2017
Новосибирские ученые создали новый материал для низкотемпературных топливных элементов
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 05/08/2017
Ученые из Сибири разработали новый материал для низкотемпературных топливных элементов
Научная Россия (scientificrussia.ru), 10/08/2017
Наука в Сибири | Сибирские ученые создали новый материал для низкотемпературных топливных элементов
Nanonewsnet.ru, 11/08/2017
Сибирские ученые сумели увеличить производство водорода для выработки электроэнергии
Научная Россия (scientificrussia.ru), 28/08/2017
Российские ученые увеличили выработку водорода для получения электроэнергии
News2 (news2.ru), 28/08/2017
Российские ученые увеличили выработку водорода для получения электроэнергии
Nanonewsnet.ru, 28/08/2017

Похожие новости

  • 01/12/2016

    Новосибирские учёные создали энергосберегающие сорбенты нового типа

    ​Учёные из НГУ и Института катализа СО РАН разработали энергосберегающий сорбент на основе вспученного вермикулита (минерала, использующегося для выращивания растений на гидропонике), модифицированного хлоридом лития.
    882
  • 08/12/2016

    Новосибирские химики производят уникальные композитные материалы для сжигания топлива

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и институтов СО РАН создают керамометаллические композитные матрицы на основе порошка алюминия, его оксида и сплавов. Эти уже успешно испытанные материалы обладают уникальными характеристиками, в частности, высокой теплопроводностью, и используются для структурированных катализаторов процессов сжигания и трансформации топлив.
    973
  • 21/07/2017

    Новосибирские ученые нашли способ улучшить работу очистителей воздуха

    Ученые НГУ выиграли грант Российского научного фонда (РНФ). Разработка ученых поможет решить фундаментальные научные задачи, а также улучшить работу бытовых и профессиональных очистителей воздуха. Тема работы новосибирских ученых — «Фото- и терморазложение металлокомплексов как способ формирования наночастиц металлов и биметаллических структур на поверхности фотокаталитически активных материалов».
    295
  • 23/10/2017

    Что нужно для развития химической отрасли

    ​Развитие химической отрасли немыслимо без инноваций, поэтому особое значение приобретает трансфер современных технологий. Еще лет пятнадцать назад в случае необходимости в том или ином продукте о подобной проблеме не задумывались, и нужная продукция просто импортировалась.
    142
  • 20/02/2017

    Новосибирские ученые предлагают недорогой способ утилизации отходов канализации

    ​Утилизировать отходы сточных вод с помощью катализаторов предложили новосибирские ученые. Обычно иловые осадки складируют на специальных полигонах или сжигают с применением песка. Это затратно и неэкологично.
    559
  • 30/03/2016

    Ученые увеличат прочность углеродных композитов, используя нанотрубки

    ​Среди основных достоинств технологии, развиваемой сотрудниками Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН — низкая стоимость получаемых структур и возможность придавать им различные функциональные свойства.
    1219
  • 26/07/2016

    Ученые СО РАН знают, как создать аэрогель

    ​Высокотехнологичные материалы, которые производят ученые новосибирского Академгородка, можно использовать не только в космических опытах или экспериментах на встречных пучках, но также в стеклопакетах и при теплоизоляции зданий.
    849
  • 19/09/2017

    Углеводороды будут главными энергоносителями для автомобилей до 2050 года

    ​Углеводороды будут доминировать в качестве энергоносителей для большинства видов транспортных средств как минимум до 2050-х годов. Такой прогноз озвучил на шестом международном энергетическом форуме в Лионе научный руководитель Института катализа Сибирского отделения РАН, лауреат премии "Глобальная энергия-2016" Валентин Пармон.
    165
  • 20/03/2017

    Институт катализа СО РАН и Лицей № 130 откроют совместную химическую лабораторию

    Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Лицей № 130 имени академика М.А. Лаврентьева откроют совместную химическую лабораторию. Учащиеся смогут со школьной скамьи получить опыт работы в настоящей лаборатории под руководством научных сотрудников, решая реальные исследовательские задачи.
    680
  • 07/04/2017

    Катализатор для экономики

    Сорок современных лабораторий за два года планируют создать на предприятии, которое занимается разработкой и производством катализаторов. Преобразования заметны, компании конкурентоспособны, а развиваемые ими направления перспективны.
    544