Водородная энергетика в «Метрополе»
Сегодня в Москве состоялась Международная конференция по водородной энергетике International Hydrogen Conference (IH2CON).
Весь день в отеле «Метрополь» специалисты обсуждали текущее состояние водородной энергетики в нашей стране.
Завершающее мероприятие программы четверга - сессия «Новые технологии для водородной энергетики. Сделано в России», которую пригласили модерировать заместителя руководителя нашего Центра по коммуникациям Алексея Паевского.
На сессии коллеги представили конкретные проекты в области водородных технологий, которые разрабатываются в нашей стране: от технологий транспортировки и хранения водорода (трубы, баллоны, металлогидриды) до такого экзотического крупномасштабного способа получения водорода, как взаимодействие алюминия с водой. Отрадно было слышать и выступление наших коллег и соседей, компании «Поликом» из Черноголовки, которые занимаются производством электролизеров.
Сегодня в Москве состоялась Международная конференция по водородной энергетике International Hydrogen Conference (IH2CON).
Весь день в отеле «Метрополь» специалисты обсуждали текущее состояние водородной энергетики в нашей стране.
Завершающее мероприятие программы четверга - сессия «Новые технологии для водородной энергетики. Сделано в России», которую пригласили модерировать заместителя руководителя нашего Центра по коммуникациям Алексея Паевского.
На сессии коллеги представили конкретные проекты в области водородных технологий, которые разрабатываются в нашей стране: от технологий транспортировки и хранения водорода (трубы, баллоны, металлогидриды) до такого экзотического крупномасштабного способа получения водорода, как взаимодействие алюминия с водой. Отрадно было слышать и выступление наших коллег и соседей, компании «Поликом» из Черноголовки, которые занимаются производством электролизеров.
IH2CON приехал в Черноголовку
Как мы уже писали, вчера в Москве состоялась Международная конференция по водородной энергетике International Hydrogen Conference (IH2CON). Весь четверг в отеле «Метрополь» специалисты обсуждали текущее состояние водородной энергетики в нашей стране. Однако этого им было мало, и сегодня они приехали в, наверное, ведущий «водородный» город России - в Черноголовку, где провели три часа на четырех мини-экскурсиях.
Более 30 человек посетили площадки нашего ФИЦ ПХФ и МХ, где коллеги ознакомились с работами по матричной конверсии метана и смежным технологиям получения водорода, а также сверхадиабатического сжигания мусора. Были гости и в самом Центре компетенций, где наш руководитель Алексей Левченко и его заместитель Алексей Паевский продемонстрировали некоторые наши работы, в том числе - водородную заправку, линейку водородных топливных элементов и водородный коптер. Ну и конечно же, пообщались с нашими младшими «сотрудниками» - европейскими ланями.
После чего коллеги переехали в цех наших друзей, ООО «Поликом», где Евгений Волков с коллегами показали работающий электролизер с протоннообменной мембраной.
Как мы уже писали, вчера в Москве состоялась Международная конференция по водородной энергетике International Hydrogen Conference (IH2CON). Весь четверг в отеле «Метрополь» специалисты обсуждали текущее состояние водородной энергетики в нашей стране. Однако этого им было мало, и сегодня они приехали в, наверное, ведущий «водородный» город России - в Черноголовку, где провели три часа на четырех мини-экскурсиях.
Более 30 человек посетили площадки нашего ФИЦ ПХФ и МХ, где коллеги ознакомились с работами по матричной конверсии метана и смежным технологиям получения водорода, а также сверхадиабатического сжигания мусора. Были гости и в самом Центре компетенций, где наш руководитель Алексей Левченко и его заместитель Алексей Паевский продемонстрировали некоторые наши работы, в том числе - водородную заправку, линейку водородных топливных элементов и водородный коптер. Ну и конечно же, пообщались с нашими младшими «сотрудниками» - европейскими ланями.
После чего коллеги переехали в цех наших друзей, ООО «Поликом», где Евгений Волков с коллегами показали работающий электролизер с протоннообменной мембраной.
Владимир Путин: в области водородной энергетики у нас есть серьезные преимущества
Во время выступления на площадке Валдайского клуба президент страны Владимир Путин говорил не только о международной ситуации. Затронул он и вопросы энергетики и углеродной нейтральности, в том числе - и тематику водорода.
«Переход к углеродной нейтральности не противоречит российским интересам, потому что у нас существуют возможности развития альтернативных видов энергии, в том числе водородной, в том числе чистого водорода, и здесь у нас есть серьёзные конкурентные преимущества. В том числе можно газ использовать, есть много возможностей, это нас не пугает абсолютно, а наоборот, создаёт для нас стимулы для развития. А в качестве переходного энергоресурса первичный газ является самым лучшим источником энергии», - заявил Владимир Путин.
Во время выступления на площадке Валдайского клуба президент страны Владимир Путин говорил не только о международной ситуации. Затронул он и вопросы энергетики и углеродной нейтральности, в том числе - и тематику водорода.
«Переход к углеродной нейтральности не противоречит российским интересам, потому что у нас существуют возможности развития альтернативных видов энергии, в том числе водородной, в том числе чистого водорода, и здесь у нас есть серьёзные конкурентные преимущества. В том числе можно газ использовать, есть много возможностей, это нас не пугает абсолютно, а наоборот, создаёт для нас стимулы для развития. А в качестве переходного энергоресурса первичный газ является самым лучшим источником энергии», - заявил Владимир Путин.
В Томске созданы образцы импортозамещающих протонпроводящих мембран
Ученые Томского политехнического университета получили экспериментальные образцы радиационномодифицированной протонообменной мембраны для топливных элементов и электролизеров. Это импортозамещающая разработка, поддержанная программой «Приоритет 2030», может быть использована для получения сверхчистого водорода и генерации энергии.
В последние годы промышленная отрасль топливных элементов активно развивается во всем мире и становится все более стабильной и готовой к массовому внедрению. Свои проекты в разработке топливных элементов реализуют во многих странах мира — России, США, Китае, Японии. Области применения топливных элементов (ТЭ) разнообразны: это аэрокосмическая, автомобильная промышленность, малые и крупные электростанции, портативные генераторы энергии, комбинированная теплоэнергетика, резервное питание.
Одним из самых перспективных видов являются водородные топливные элементы. Их принцип действия основан на выработке электроэнергии в результате электрохимической реакции между водородом и кислородом. При этом этот способ получения энергии является экологически чистым, а единственный побочный продукт — это вода. Конструкция топливных элементов устроена следующим образом: в центре находится мембрана, вокруг нее с двух сторон — каталитический слой. Процесс электролиза воды с протонообменной мембраной происходит в ячейке, снабженной твердым полимерным электролитом, обеспечивающим проводимость протонов, разделение газообразных продуктов и электрическую изоляцию между электродами.
В качестве «сердца» топливного элемента используется полимерная мембрана. Основным производителем мембран в мире является американская фирма DuPont. Именно их мембраны Nafion наиболее распространены в секторе топливных элементов. В ряде стран — Китае, Франции, Японии — их аналоги производят по лицензии. Сейчас в связи с санкциями российские компании потеряли доступ к продукции DuPont.
В Томском политехническом университете исследования, связанные с водородным технологиями, начались еще в 1970-х годах. Сейчас в рамках программы развития «Приоритет 2030» одна из стратегических ставок вуза посвящена «Энергии будущего», в том числе и проектам, связанным с водородом. В ТПУ проводятся фундаментальные и прикладные исследования в области получения чистого водорода, его безопасного хранения, транспортировки, применения в качестве энергоносителя в системах автономного электроснабжения. Одно из направлений — водородные топливные элементы на основе полимерных мембран.
«В России аналоги мембран Nafion не выпускаются. Более того, наладить подобное производство с нуля очень сложно и дорого. Поэтому мы решили пойти другим путем, используя наработки ТПУ по влиянию заряженных частиц на различные материалы и возможности уникальной установки циклотрон «Р-7М».
Для изготовления мембран мы используем широко распространенные и используемые полимерные пленки, коммерчески доступные и производимые в России, например, они применяются для изоляции в кабельной промышленности. Затем мы облучаем их на циклотроне «Р-7М» и проводим радиационно-индуцированную прививку виниловых мономеров с последующим функциональным сульфированием. Совместное использование радиационных и радициацинно-химических методов позволяет значительно улучшить основные характеристики мембраны, а именно — протонную проводимость, долговечность, механическую прочность. Потом на мембраны наносится платиновый катализатор. Причем, в отличие от традиционных методов аэрозольного распыления, мы используем метод магнетронного испарения. Полученные образцы мембран по своим характеристикам сравнимы, а где-то и превосходят продукцию фирмы DuPont», — говорит научный сотрудник научной лаборатории радиоактивных веществ и технологий Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Валентина Сохорева.
Ученые Томского политехнического университета получили экспериментальные образцы радиационномодифицированной протонообменной мембраны для топливных элементов и электролизеров. Это импортозамещающая разработка, поддержанная программой «Приоритет 2030», может быть использована для получения сверхчистого водорода и генерации энергии.
В последние годы промышленная отрасль топливных элементов активно развивается во всем мире и становится все более стабильной и готовой к массовому внедрению. Свои проекты в разработке топливных элементов реализуют во многих странах мира — России, США, Китае, Японии. Области применения топливных элементов (ТЭ) разнообразны: это аэрокосмическая, автомобильная промышленность, малые и крупные электростанции, портативные генераторы энергии, комбинированная теплоэнергетика, резервное питание.
Одним из самых перспективных видов являются водородные топливные элементы. Их принцип действия основан на выработке электроэнергии в результате электрохимической реакции между водородом и кислородом. При этом этот способ получения энергии является экологически чистым, а единственный побочный продукт — это вода. Конструкция топливных элементов устроена следующим образом: в центре находится мембрана, вокруг нее с двух сторон — каталитический слой. Процесс электролиза воды с протонообменной мембраной происходит в ячейке, снабженной твердым полимерным электролитом, обеспечивающим проводимость протонов, разделение газообразных продуктов и электрическую изоляцию между электродами.
В качестве «сердца» топливного элемента используется полимерная мембрана. Основным производителем мембран в мире является американская фирма DuPont. Именно их мембраны Nafion наиболее распространены в секторе топливных элементов. В ряде стран — Китае, Франции, Японии — их аналоги производят по лицензии. Сейчас в связи с санкциями российские компании потеряли доступ к продукции DuPont.
В Томском политехническом университете исследования, связанные с водородным технологиями, начались еще в 1970-х годах. Сейчас в рамках программы развития «Приоритет 2030» одна из стратегических ставок вуза посвящена «Энергии будущего», в том числе и проектам, связанным с водородом. В ТПУ проводятся фундаментальные и прикладные исследования в области получения чистого водорода, его безопасного хранения, транспортировки, применения в качестве энергоносителя в системах автономного электроснабжения. Одно из направлений — водородные топливные элементы на основе полимерных мембран.
«В России аналоги мембран Nafion не выпускаются. Более того, наладить подобное производство с нуля очень сложно и дорого. Поэтому мы решили пойти другим путем, используя наработки ТПУ по влиянию заряженных частиц на различные материалы и возможности уникальной установки циклотрон «Р-7М».
Для изготовления мембран мы используем широко распространенные и используемые полимерные пленки, коммерчески доступные и производимые в России, например, они применяются для изоляции в кабельной промышленности. Затем мы облучаем их на циклотроне «Р-7М» и проводим радиационно-индуцированную прививку виниловых мономеров с последующим функциональным сульфированием. Совместное использование радиационных и радициацинно-химических методов позволяет значительно улучшить основные характеристики мембраны, а именно — протонную проводимость, долговечность, механическую прочность. Потом на мембраны наносится платиновый катализатор. Причем, в отличие от традиционных методов аэрозольного распыления, мы используем метод магнетронного испарения. Полученные образцы мембран по своим характеристикам сравнимы, а где-то и превосходят продукцию фирмы DuPont», — говорит научный сотрудник научной лаборатории радиоактивных веществ и технологий Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Валентина Сохорева.
На данный момент в Томском политехе уже получили экспериментальные образцы мембран 2x2 сантиметра. Мембраны тщательно изучаются по ряду параметров, в том числе их исследовали в Курчатовском институте. Установлено, что по уровню протонной проводимости — порядка 0,1-0,2 См/см — мембраны политехников не уступают Nafion-117, выбранный в качестве эталонного образца. Кроме того, мембраны ТПУ работают как протонный проводник при большей температуре, чем зарубежные образцы: до 110-120 градусов Цельсия (Nafion – до 80 градусов). Также благодаря использованию отечественных компонентов квадратный метр мембраны, изготовленной в ТПУ, будет примерно в 15 раз дешевле, чем DuPont.
«Еще одна особенность нашего метода — благодаря использованию циклотрона мы можем получать различную эффективную толщину мембран: от 10 до 400 микрон, тогда как у Nafion максимальная толщина составляет 250 микрон. На что влияет эта характеристика? На применение мембран под разные задачи — для электролизеров, водородовоздушных топливных элементов и так далее. Мы получили поддержку по программе «Приоритет 2030» и планируем провести «развертку» пучка циклотрона, чтобы можно было облучать пленки шириной до 450 мм. Это позволит нам повысить производительность установки и улучшить показатели равномерности облучения образцов большего формата», — поясняет Валентина Сохорева.
«Итоговым результатом должна стать разработка технологии, позволяющей нам получать мембраны для топливных элементов различного размера и мощности. Кроме того, очень важная задача, для того чтобы сделать топливные элементы более дешевыми и доступными, это формирование каталитических слоев с меньшей платиновой загрузкой. Также мы планируем провести дальнейшие исследования уже полученных образцов — на долговечность, число рабочих часов, на разрыв. Мы стремимся создать мембрану, которая по характеристикам не уступит, а в чем-то и превзойдет существующие аналоги», — отмечает Валентина Сохорева, уточняя, что в исследовании задействованы сотрудники Инженерной школы ядерных технологий, Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий, а также студенты ИЯТШ.
«Еще одна особенность нашего метода — благодаря использованию циклотрона мы можем получать различную эффективную толщину мембран: от 10 до 400 микрон, тогда как у Nafion максимальная толщина составляет 250 микрон. На что влияет эта характеристика? На применение мембран под разные задачи — для электролизеров, водородовоздушных топливных элементов и так далее. Мы получили поддержку по программе «Приоритет 2030» и планируем провести «развертку» пучка циклотрона, чтобы можно было облучать пленки шириной до 450 мм. Это позволит нам повысить производительность установки и улучшить показатели равномерности облучения образцов большего формата», — поясняет Валентина Сохорева.
«Итоговым результатом должна стать разработка технологии, позволяющей нам получать мембраны для топливных элементов различного размера и мощности. Кроме того, очень важная задача, для того чтобы сделать топливные элементы более дешевыми и доступными, это формирование каталитических слоев с меньшей платиновой загрузкой. Также мы планируем провести дальнейшие исследования уже полученных образцов — на долговечность, число рабочих часов, на разрыв. Мы стремимся создать мембрану, которая по характеристикам не уступит, а в чем-то и превзойдет существующие аналоги», — отмечает Валентина Сохорева, уточняя, что в исследовании задействованы сотрудники Инженерной школы ядерных технологий, Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий, а также студенты ИЯТШ.
Гадолиний улучшил характеристики высокотемпературных топливных элементов
Уральские ученые предложили новый электролитный материал для водородной энергетики: в его основу легли модифицированные редкоземельным гадолинием слоистые перовскиты. Результаты работы позволят расширить технологии «зеленой» энергетики и тем самым снизить углеродные выбросы. С исследованием, выполненным при поддержке Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах журнала Materials.
Классический перовскит АВО3 (где А и В — два разных элемента, а О — кислород) представляет собой сеть восьмигранников, соединенных друг с другом всеми вершинами, и каждый атом кислорода включен в эту сеть. В слоистых перовскитах AA'BO4 восьмигранники связаны в слои, отделенные друг от друга слоями с кубической структурой каменной соли. Она является более «гибкой», чем у классического перовскита, что может открывать дополнительные возможности для ее усовершенствования.
Авторы работы решили модифицировать слоистые перовскиты BaLaInO4 (Ba — барий, La — лантан, In — индий, О — кислород), добавив в них атомы редкоземельного гадолиния, который также способен увеличивать проводимость материалов. В данном случае такой эффект обусловлен тем, что в системе изначально были редкоземельные ионы — лантана, — а добавка их «родственника» гадолиния привела к большему отталкиванию восьмигранников в кристаллической решетке. В результате пространство для переноса заряженных частиц расширилось.
Эксперименты показали, что модификация улучшила проводимость материала в сухих условиях примерно в 12 раз (в сравнении с исходным материалом), при этом ее обеспечивало в основном движение ионов кислорода. Во влажной среде добавлялся еще один механизм переноса заряда — протонный, то есть теперь носителями заряда были ионы водорода, что и необходимо для создания устройств водородной энергетики. В этом случае при температурах ниже 400℃ добавка гадолиния улучшила проводимость в 20 раз.
«Наши результаты свидетельствуют в пользу того, что модифицированный слоистый перовскит может стать основой для устройств водородной энергетики. В настоящий момент мы работаем над созданием материалов, которые могли бы эффективно сочетаться по комплексу физико-химических свойств в твердооксидном топливном элементе, а также в дальнейшем планируем их тестирование в составе электрохимического устройства. Это является одной из важнейших задач, стоящих перед нами — осуществить переход от фундаментального материаловедения к дизайну электрохимических устройств, соединив, таким образом, фундаментальную и прикладную науку, — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Наталия Тарасова, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах ИВТЭ УрО РАН и профессор Уральского федерального университета.
На иллюстрации: переход от нового материала к практическому применению через исследование его структуры и свойств. Источник: Наталия Тарасова
https://www.mdpi.com/1996-1944/15/20/7351
Уральские ученые предложили новый электролитный материал для водородной энергетики: в его основу легли модифицированные редкоземельным гадолинием слоистые перовскиты. Результаты работы позволят расширить технологии «зеленой» энергетики и тем самым снизить углеродные выбросы. С исследованием, выполненным при поддержке Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах журнала Materials.
Классический перовскит АВО3 (где А и В — два разных элемента, а О — кислород) представляет собой сеть восьмигранников, соединенных друг с другом всеми вершинами, и каждый атом кислорода включен в эту сеть. В слоистых перовскитах AA'BO4 восьмигранники связаны в слои, отделенные друг от друга слоями с кубической структурой каменной соли. Она является более «гибкой», чем у классического перовскита, что может открывать дополнительные возможности для ее усовершенствования.
Авторы работы решили модифицировать слоистые перовскиты BaLaInO4 (Ba — барий, La — лантан, In — индий, О — кислород), добавив в них атомы редкоземельного гадолиния, который также способен увеличивать проводимость материалов. В данном случае такой эффект обусловлен тем, что в системе изначально были редкоземельные ионы — лантана, — а добавка их «родственника» гадолиния привела к большему отталкиванию восьмигранников в кристаллической решетке. В результате пространство для переноса заряженных частиц расширилось.
Эксперименты показали, что модификация улучшила проводимость материала в сухих условиях примерно в 12 раз (в сравнении с исходным материалом), при этом ее обеспечивало в основном движение ионов кислорода. Во влажной среде добавлялся еще один механизм переноса заряда — протонный, то есть теперь носителями заряда были ионы водорода, что и необходимо для создания устройств водородной энергетики. В этом случае при температурах ниже 400℃ добавка гадолиния улучшила проводимость в 20 раз.
«Наши результаты свидетельствуют в пользу того, что модифицированный слоистый перовскит может стать основой для устройств водородной энергетики. В настоящий момент мы работаем над созданием материалов, которые могли бы эффективно сочетаться по комплексу физико-химических свойств в твердооксидном топливном элементе, а также в дальнейшем планируем их тестирование в составе электрохимического устройства. Это является одной из важнейших задач, стоящих перед нами — осуществить переход от фундаментального материаловедения к дизайну электрохимических устройств, соединив, таким образом, фундаментальную и прикладную науку, — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Наталия Тарасова, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах ИВТЭ УрО РАН и профессор Уральского федерального университета.
На иллюстрации: переход от нового материала к практическому применению через исследование его структуры и свойств. Источник: Наталия Тарасова
https://www.mdpi.com/1996-1944/15/20/7351
MDPI
Proton Transport in the Gadolinium-Doped Layered Perovskite BaLaInO4
Materials capable for use in energy generation have been actively investigated recently. Thermoelectrics, photovoltaics and electronic/ionic conductors are considered as a part of the modern energy system. Layered perovskites have many attractions, as materials…
Forwarded from InScience.News
Мир стремительно движется вперед. Электромобили постепенно появляются в наших городах, как и зарядные станции для них. На международном онлайн-форуме об инновационных транспортных технологиях «АВТОНЕТ — 2022» эксперты обсудили, как должен быть устроен современный город и какие проблемы и перспективы нам дает использование электротранспорта.
Подробнее о том, что ждет российские города в будущем, читайте в репортаже InScience.News:
https://inscience.news/ru/article/nti/10862
Подробнее о том, что ждет российские города в будущем, читайте в репортаже InScience.News:
https://inscience.news/ru/article/nti/10862
Бескислородная реакция поможет получать энергию в космосе и морских глубинах
Российские ученые (в том числе - и из нашего Центра) доказали, что энергию химической реакции хлоратов с водородом можно использовать для получения электричества. Эффективность такого процесса — более 40%, при этом для его прохождения не нужны кислород и дорогостоящие катализаторы — роль последних выполняют промежуточные продукты. Полученные данные необходимы для разработки источников питания космических аппаратов, подводных лодок и средств индивидуального перемещения под водой, то есть в условиях с недостатком кислорода. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Molecules.
Химические процессы, использующиеся для получения электроэнергии, идут с передачей электронов от одних компонентов реакции другим. Частицы, отдающие электроны, называются восстановителями, а принимающие — окислителями. В качестве последних часто выступает кислород, который легко получить прямо из атмосферного воздуха. Однако в условиях, когда его количество ограничено, например в космосе, подводных пространствах и глубоких шахтах, использование этого вещества невозможно. Окислителями в таком случае могут быть кислородсодержащие соединения хлора, которые по активности сопоставимы с кислородом. В качестве восстановителя выбирают молекулярный водород, так как эффективные системы его хранения в сжатом виде уже разработаны.
Ученые из Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН (Москва) и нашего Центра (Черноголовка) доказали, что хлорат-анионы (ClO3-) в сочетании с молекулярным водородом способны генерировать электричество, образуя при этом хлорид-анион (Cl-). Реакцию проводили в электрохимической ячейке, состоящей из двух электродов, через один из которых пропускали газообразный водород, а через другой — хлоратный электролит. Согласно теоретическим расчетам, хлораты, например хлорат натрия (NaClO3), обладают высоким энергетическим потенциалом, а также хорошо растворимы в воде. Это позволяет использовать их концентрированные водные растворы в качестве эффективных окислителей с высокой плотностью энергии — количеством энергии на единицу объема вещества. Кроме того, продуктом реакции является раствор поваренной соли, утилизация которого не вредит окружающей среде.
Авторы установили механизм протекания этой реакции при добавлении кислот. Также они показали, как процесс зависел от внешних условий и развивался во времени. Поскольку хлорат в отсутствие катализаторов малоактивен, процесс начинался после пропускания через ячейку небольшого заряда. По мере прохождения тока в растворе накапливаются другие кислородсодержащие соединения хлора, и ток, генерируемый теперь уже самой системой, нарастает.
Проанализировав оптические спектры раствора хлората в ходе работы устройства, авторы показали, что важную роль среди промежуточных продуктов играет диоксид хлора (ClO2). Он обладает автокаталитической активностью, то есть его накопление увеличивает скорость реакции превращения хлората, что делает ее пригодной для использования в источниках тока. При этом в большинстве экспериментов химическая энергия преобразовывалась в электричество с эффективностью от 40% до 50%. В дальнейшем авторы рассчитывают найти способы повысить эффективность нового источника электроэнергии.
«Идея использовать галогенаты (хлораты и броматы) в источниках тока для бескислородных условий предложена нашим коллегой Юрием Вячеславовичем Толмачевым, однако было необходимо найти способ преодолеть их электрохимическую инертность. Ранее мы решили эту проблему для броматов, а теперь и для хлоратов, совершив настоящий прорыв. Достигнутые нами характеристики хлоратных источников тока открывают перспективы практического использования подобных устройств», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Михаил Воротынцев, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией «Проточные редокс-батареи и электроактивные материалы» ИФХЭ РАН.
Российские ученые (в том числе - и из нашего Центра) доказали, что энергию химической реакции хлоратов с водородом можно использовать для получения электричества. Эффективность такого процесса — более 40%, при этом для его прохождения не нужны кислород и дорогостоящие катализаторы — роль последних выполняют промежуточные продукты. Полученные данные необходимы для разработки источников питания космических аппаратов, подводных лодок и средств индивидуального перемещения под водой, то есть в условиях с недостатком кислорода. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Molecules.
Химические процессы, использующиеся для получения электроэнергии, идут с передачей электронов от одних компонентов реакции другим. Частицы, отдающие электроны, называются восстановителями, а принимающие — окислителями. В качестве последних часто выступает кислород, который легко получить прямо из атмосферного воздуха. Однако в условиях, когда его количество ограничено, например в космосе, подводных пространствах и глубоких шахтах, использование этого вещества невозможно. Окислителями в таком случае могут быть кислородсодержащие соединения хлора, которые по активности сопоставимы с кислородом. В качестве восстановителя выбирают молекулярный водород, так как эффективные системы его хранения в сжатом виде уже разработаны.
Ученые из Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН (Москва) и нашего Центра (Черноголовка) доказали, что хлорат-анионы (ClO3-) в сочетании с молекулярным водородом способны генерировать электричество, образуя при этом хлорид-анион (Cl-). Реакцию проводили в электрохимической ячейке, состоящей из двух электродов, через один из которых пропускали газообразный водород, а через другой — хлоратный электролит. Согласно теоретическим расчетам, хлораты, например хлорат натрия (NaClO3), обладают высоким энергетическим потенциалом, а также хорошо растворимы в воде. Это позволяет использовать их концентрированные водные растворы в качестве эффективных окислителей с высокой плотностью энергии — количеством энергии на единицу объема вещества. Кроме того, продуктом реакции является раствор поваренной соли, утилизация которого не вредит окружающей среде.
Авторы установили механизм протекания этой реакции при добавлении кислот. Также они показали, как процесс зависел от внешних условий и развивался во времени. Поскольку хлорат в отсутствие катализаторов малоактивен, процесс начинался после пропускания через ячейку небольшого заряда. По мере прохождения тока в растворе накапливаются другие кислородсодержащие соединения хлора, и ток, генерируемый теперь уже самой системой, нарастает.
Проанализировав оптические спектры раствора хлората в ходе работы устройства, авторы показали, что важную роль среди промежуточных продуктов играет диоксид хлора (ClO2). Он обладает автокаталитической активностью, то есть его накопление увеличивает скорость реакции превращения хлората, что делает ее пригодной для использования в источниках тока. При этом в большинстве экспериментов химическая энергия преобразовывалась в электричество с эффективностью от 40% до 50%. В дальнейшем авторы рассчитывают найти способы повысить эффективность нового источника электроэнергии.
«Идея использовать галогенаты (хлораты и броматы) в источниках тока для бескислородных условий предложена нашим коллегой Юрием Вячеславовичем Толмачевым, однако было необходимо найти способ преодолеть их электрохимическую инертность. Ранее мы решили эту проблему для броматов, а теперь и для хлоратов, совершив настоящий прорыв. Достигнутые нами характеристики хлоратных источников тока открывают перспективы практического использования подобных устройств», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Михаил Воротынцев, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией «Проточные редокс-батареи и электроактивные материалы» ИФХЭ РАН.