Катализаторы для реализации топливных элементов

Коммерциализация экологически чистого топлива десятилетиями задерживалась из-за высокой стоимости платины, но исследование показывает, что недорогой катализатор может быть реальной заменой.

Эта огромная разработка, по мнению исследователей, со временем поможет полностью реализовать огромный потенциал водородных топливных элементов.

В течение многих лет исследователи искали катализатор, который позволил бы значительно снизить стоимость производства водородных топливных элементов.

Результатом такого прорыва может стать революция в зеленой энергетике, когда ноутбуки и поезда будут использовать топливо, которое производит только воду в качестве побочного продукта. Согласно недавним выводам Университета Буффало (UB) , исследователи могут приблизиться к достижению этой цели.

Министерство энергетики США (DOE) определило эффективность, долговечность и доступность в качестве трех основных целей исследований топливных элементов.

В исследовании, которое недавно было опубликовано в журнале Nature Energy, ученые объясняют, как можно соединить железо с азотом и углеродом для получения катализатора, соответствующего всем трем критериям.

«На это ушли годы», — говорит ведущий автор исследования Ган Ву, доктор философии, профессор химической и биологической инженерии в Школе инженерии и прикладных наук Университета Нью-Йорка. «Мы считаем, что это значительный прорыв, который в конечном итоге поможет раскрыть огромный потенциал водородных топливных элементов».

Обещание топливных элементов

По данным Министерства энергетики, топливные элементы работают аналогично батареям, но не теряют мощность и не нуждаются в подзарядке. Они производят тепло и электроэнергию до тех пор, пока подается топливо, такое как водород.

Поскольку они производят меньше выбросов или вообще не производят выбросов по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, они давно заинтриговали ученых, экологов и других. Кроме того, они имеют широкий спектр применения, включая питание зданий, электростанций, автомобилей и других систем.

Однако отсутствие широкой коммерциализации топливных элементов связано, среди прочего, с высокой стоимостью дорогих катализаторов, необходимых для ускорения ключевых процессов топливных элементов.

Набор из шести драгоценных металлов, известных как металлы платиновой группы, оказался наиболее эффективным катализатором. Хотя эти металлы эффективны и долговечны, они чрезвычайно дороги из-за их дефицита. Как следствие, исследователи ищут менее дорогие варианты.

Преодоление барьеров

Одной из таких альтернатив являются катализаторы на основе железа. Железо привлекательно, потому что оно в изобилии и недорого. Но он не так эффективен, как платина, особенно потому, что ему не хватает прочности, чтобы противостоять высококоррозионным и окислительным средам внутри топливных элементов.

Чтобы преодолеть этот барьер, исследовательская группа соединила четыре атома азота с железом. Затем исследователи поместили материал в несколько слоев графена «с точным атомарным контролем локальных геометрических и химических структур», — говорит Ву.

Полученная структура представляет собой значительно улучшенный катализатор.

Например, исследовательская группа сообщила о катализаторе:

• Считается, что это самый эффективный катализатор на основе железа, произведенный на сегодняшний день, превосходящий цель Министерства энергетики США на 2025 год по плотности электрического тока.
• Достигнут рейтинг долговечности, который приближается к катализаторам платиновой группы.
• Все это, говорит Ву, указывает на способность катализатора на основе железа сделать топливные элементы, особенно водородные, гораздо более доступными для коммерческого использования. Исследователи планируют дальнейшие исследования для дальнейшего улучшения катализатора.

Помимо UB, в совместную исследовательскую группу входили представители следующих организаций: Аргоннская национальная лаборатория; Университет Карнеги Меллон; Гинер Инк ; Университет Индианы – Университет Пердью в Индианаполисе; Окриджская национальная лаборатория; Университет штата Орегон; Университет Пердью; и Университет Питтсбурга.

Исследование финансировалось Министерством энергетики США и Национальным научным фондом США. Ву и два его соавтора подали совместные патентные заявки через Университет Буффало и Giner Inc.

Источник

Метки: Катализаторы