Найден способ сделать «зеленые» батареи для водородных машин мощнее
В РТУ МИРЭА разработали новые электродные материалы для водородно-кислородных топливных элементов. Исследователи выяснили, что пористый никель с наночастицами платины и никеля в соотношении 3:1 дает на 65% больше мощности, чем стандартные углеродные материалы. Это открытие — важный шаг к созданию более эффективных и доступных источников чистой энергии для транспорта и портативной электроники.
В поисках экологически чистых технологий будущего особые надежды ученые возлагают на водородные топливные элементы. Эти устройства преобразуют химическую энергию водорода и кислорода напрямую в электричество, выделяя в качестве «отхода» только чистую воду. Но чтобы такая технология стала по-настоящему массовой, нужно решить ключевую задачу: сделать электроды внутри элемента более эффективными и менее дорогими.
Именно над этим и работала команда ученых из РТУ МИРЭА. Они сосредоточились на ключевых составляющих элемента — электродах, где и происходят важнейшие реакции. Вместо того чтобы использовать дорогую чистую платину, ученые создали биметаллические наночастицы, в которых платина «работает» в паре с более доступным никелем. Это уже позволяет снизить стоимость. Но главным открытием стал поиск идеальной «подложки» — основы, на которую наносятся эти активные наночастицы.
Специалисты протестировали три типа материалов: специальную углеродную бумагу, углеродную ткань и пористый никель. Каждый из них обладает разной структурой. В ходе испытаний макетов топливных ячеек выяснилось, что пористый никель с нанесенными наночастицами платины и никеля (в соотношении 3 к 1) показал хороший результат — удельная мощность достигла 67.2 мВт/см². Это значительно выше, чем у аналогов на углеродной основе.
«Мы не просто смешали два металла, — объясняет Марина Лебедева, кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова РТУ МИРЭА. — Мы научились управлять их соотношением и размерами частиц на уровне нанометра при помощи химических процессов восстановления в обращенных микроэмульсиях. Это как построить идеальную гоночную трассу для химических реакций: пористый никель с его развитой структурой обеспечивает максимальную площадь контакта и эффективный перенос веществ, что и дает прирост мощности».
Почему пористый никель оказался лучше углерода? Все дело в его структуре. Его поверхность похожа на микроскопическую губку с огромным количеством каналов и пор. Такое строение позволяет равномерно распределить каталитические наночастицы и обеспечивает беспрепятственный «подвоз» топлива (водорода) и окислителя (кислорода) к местам, где идет реакция.
«Наша работа носит прикладной характер, — добавляет Наталья Копылова, преподаватель кафедры наноразмерных систем и поверхностных явлений РТУ МИРЭА. — Мы не просто тестировали порошки в лабораторных колбах, а собирали работающие прототипы мембранно-электродных блоков — ключевых узлов реального топливного элемента. Полученные результаты — четкие цифры по току и мощности — это прямой ориентир для инженеров, которые проектируют новые источники энергии».
Авторы приводят и научное обоснование процессов так называемого «водородного охрупчивания» материалов в электролизных ячейках, что позволит в будущем избежать деградации функциональных материалов для конструирования генераторов водорода с высокой энергоэффективностью.
Помимо данных исследований, научный коллектив проводит модификацию полимерных мембран – «сердца» топливного элемента – при помощи моно- и биметаллических наночастиц платиновых металлов. Мембрана отвечает за перенос катиона водорода с анода к катоду, благодаря чему ячейка и осуществляет электрохимическую работу. Модификация мембраны позволяет повысить удельную мощность ячейки и увеличить ресурс ее работы.
Важным аспектом любого результата является правильный выбор метода исследования. В связи с этим авторы впервые предложили эффективный способ оценки энергетических параметров топливных и электролизных ячеек с задействованием специальной электронной нагрузки, значительно упрощающей получение и анализ экспериментальных зависимостей.
Разработка российских ученых поможет ускорить появление водородных автомобилей с большим запасом хода, обеспечить энергией удаленные объекты или стать основой для автономного питания современной электроники.
Источник: «Научная Россия»