Хранение энергии в водороде в 20 раз эффективнее при использовании платиноникелевого катализатора

Катализаторы ускоряют химические реакции, но широко используемая платина является дефицитной и дорогой.

Исследователи из Эйндховенского технологического университета (TU/e) совместно с китайскими, сингапурскими и японскими исследователями разработали альтернативу платине с активностью в 20 раз выше: катализатор с полыми наноклетками из сплава никеля и платины. Исследователь из TU/e, Эмиэль Хенсен, хочет использовать этот новый катализатор для разработки электролизера размером с холодильник и мощностью 10 МВт. Результаты будут опубликованы в журнале Science.

Повышение эффективности электролиза

• Успешно протестировано на топливном элементе
• Электролизер в каждом районе

К 2050 году правительство Нидерландов стремится получить практически всю энергию из ВИЭ, таких как солнце или ветер. Поскольку эти источники энергии не доступны в любое время, важно иметь возможность хранить генерируемую энергию. Учитывая их низкую плотность энергии, батареи не подходят для хранения очень большого количества энергии. Лучшее решение - получение водорода, как наиболее очевидный выбор из газов. Используя воду, электролизер преобразует (избыток) электрической энергии в водород, который можно хранить. На более позднем этапе топливный элемент делает обратное, преобразуя накопленный водород обратно в электрическую энергию. Обе технологии требуют катализатора для управления процессом.

Катализатор, который помогает с этими превращениями, благодаря своей высокой активности, в основном сделан из платины. Но платина очень дорогой и редкий металл - это проблема, если мы хотим использовать электролизеры и топливные элементы в больших масштабах. «Поэтому коллеги-исследователи из Китая разработали сплав платины и никеля, который снижает затраты и повышает активность», - говорит Эмиэль Хенсен.

Эффективный катализатор обладает высокой активностью; он превращает больше молекул воды в водород каждую секунду. Хенсен говорит: «В TU/e мы исследовали влияние никеля на ключевые этапы реакции, и с этой целью мы разработали компьютерную модель, основанную на изображениях с электронного микроскопа. С помощью квантово-химических расчетов мы смогли предсказать активность нового сплава, и моем понять, почему этот новый катализатор настолько эффективен".

Успешно протестировано на топливном элементе

В дополнение к примеси другого металла, исследователи также смогли внести существенные изменения в морфологию. Атомы катализатора должны связываться с молекулами воды и/или кислорода, чтобы иметь возможность их превращать. Поэтому чем больше пройдет связей, тем более высокой получится активность. «Вы хотите получить как можно больше доступной металлической поверхности. К разработанным полым наноклеткам можно получить доступ как снаружи, так и изнутри. Это создает большую площадь поверхности, позволяя одновременно реагировать большему количеству материала», - говорит Хенсен. Кроме того, он продемонстрировал с помощью квантово-химических расчетов, что удельные поверхностные структуры наноклеток еще более увеличивают активность.

После расчетов по модели Хенсена оказывается, что активность обоих растворов в совокупности в 20 раз выше, чем у современных платиновых катализаторов. Исследователи также обнаружили этот результат в экспериментальных испытаниях в топливном элементе. «Важная критика многих фундаментальных работ заключается в том, что они делают свое дело в лаборатории, но когда кто-то помещает его в реальное устройство, оно часто не работает. Мы показали, что эти новые катализаторы работают в реальном применении». 

Стабильность катализатора должна быть такой, чтобы он мог продолжать работать в водородной машине или доме в течение многих лет. Поэтому исследователи проверили катализатор на 50000 «циклов» в топливном элементе и увидели незначительное снижение активности.

Электролизер в каждом районе

Возможности для этого нового катализатора многообразны. Как в виде топливного элемента, так и в обратной реакции в электролизере. Например, топливные элементы используются в автомобилях, работающих на водороде, в то время как в некоторых больницах уже есть аварийные генераторы с водородными топливными элементами. Электролизер можно использовать, например, на ветряных электростанциях в море или, возможно, даже рядом с каждой ветряной турбиной. Транспортировка водорода намного дешевле, чем транспортировка электроэнергии.

Мысли Хенсена идут дальше. Он говорит: «Я надеюсь, что скоро мы сможем установить электролизер в каждом районе. Это устройство размером с холодильник хранит всю энергию от солнечных батарей на крышах в окрестностях в дневное время в виде водорода. Подземные газопроводы будут транспортировать водород в будущем, и бытовой котел центрального отопления будет заменен топливным элементом, который преобразует накопленный водород обратно в электричество. Именно так мы можем максимально использовать солнце».

Но для того, чтобы это произошло, электролизер все еще нуждается в значительном усовершенствовании. Поэтому Хенсен вместе с другими исследователями и промышленными партнерами из региона Брабант участвует в создании энергетического института TU Эйндховен. Цель состоит в том, чтобы увеличить размеры существующих электролизеров до размера холодильника и до мощности около 10 МВт. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet