сегодня: 24.08.2017

[сделать стартовой]

Рубрики
Общество
Экономика
Политика
Спорт
Наука
Культура
Образование
Здравоохранение
Информационные технологии
Силовые структуры
Криминал
Происшествия
Экология
Недвижимость
Нск-риэлт
Байкал
Национальные проекты
Лес - богатство Сибири
Нефть и газ Сибири
Сибирский уголь
Научно-технический прогресс
Сибиряки
Мир вокруг нас
Интервью
Актуально

Сибирский федеральный округ
Наука и жизнь

Луна образовалась в результате ядерного взрыва


Видеокамеры для "супермена"


"Конец света" в прямом смысле слова


Земные океаны и атмосфера появились благодаря метеоритной бомбардировке


Солнце на Земле


Искусственный интеллект совсем рядом



ТОП-20 инженерных чудес света



Четвероногий друг


Новости Байкала

2017-08-05 22:42:00 /РИА "Сибирь" /Новосибирск

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".



Cмотрите также:  Наука  Новосибирская область
Архив
пн вт ср чт пт сб вск
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 
Поиск по сайту
Что? Где? Когда?
*****

С 6 по 17 сентября 2017 годаИ в Иркутске пройдет музыкальный фестиваль "Звезды на Байкале"
*****

14-15 сентября 2017 года в Иркутске пройдет Байкальский экологический водный форум
*****

С 14 по 18 сентября 2017 года стартует VI Забайкальский международный кинофестиваль"
*****

С 28 по 30 сентября 2017 года в Чите пройдет традиционный фестиваль Chita Jazz
*****

21-22 сентября 2017 года в Омске состоится научно-техническая конференция о развитии радиоэлектроники в России
*****

Омская область готовится к проведению Арктического форума в ноябре 2017 года"
****** *****
Сохраним Байкал!

Экологический кризис на Байкале: новый эпизод с сине-зелеными водорослями
Пробиотики вместо антибиотиков

Уникальные бактериальные препараты производят в наукограде Кольцово
Все о клещах

Новосибирские ученые: как уберечься от заболеваний, переносимых клещами>

Планета Земля

2036 год: Апофеоз или Апокалипсис?


Катастрофы: возможность или неизбежность

Butik.ru мужские головные уборы


О проекте Контакты Партнеры Статьи  
Rambler's Top100
*** Круглосуточный прокат автомобилей в Краснодаре от компании Юг-Автопрокат. Постоянная скидка 10%.
***Деловые объявления на board.com.ua
***SanRicci - мебель для ванной
Copyright © 2004-2009, РИА "Сибирь"
E-mail: rian@cn.ru
Телефон: 8(383) 214-20-12