Ученые Сиднейского университета Нового Южного Уэльса (Австралия) работают над повышением эффективности и стоимости водородных топливных элементов, чтобы расширить доступ к экологически чистым видам топлива.
Хотя водород считается ключевым элементом в переходе к безуглеродному будущему, его коммерциализация идет медленно из-за ряда проблем.
Читать далее:
к эффективности
- Высокая стоимость некоторых ключевых элементов водородных топливных элементов, таких как платина, является одной из проблем, которую пытаются решить ученые;
- Платина — дорогой и дефицитный материал, поэтому необходимо искать жизнеспособные альтернативы.
В соответствии с Техническое исследованиеисследование, опубликованное в журнале Энергетика и наука об окружающей средепрофессор Чуан Чжао, доктор Квентин Мейер и Шиянг Лю из Школы химии UNSW, представляет новый процесс, разработанный командой для проверки долговечности и стабильности платиновых альтернатив.
Результаты этого исследования дают представление о рентабельных вариантах водородных топливных элементов. Это потому, что каталитический нейтрализатор также очень дорог.
Платина, которая образует основной слой топливного элемента, стоит от 45 000 до 100 000 австралийских долларов.
Платина всегда будет дорогой, потому что ее не так много. Поэтому нам нужно изучить альтернативы, а также обеспечить быстрый и простой способ измерения характеристик этих новых материалов, над которыми мы работаем в водородных топливных элементах.
Профессор Чуан Чжао, Химическая школа UNSW
Водородные топливные элементы используют химические реакции для преобразования водорода в протоны и электроны, производя электричество и воду.
В отличие от батарей, водородные топливные элементы не нуждаются в подзарядке и могут быть заполнены водородом всего за три минуты.
Помимо того, что это чистый источник энергии, производящий только воду в качестве побочного продукта, водород является распространенным элементом, который можно извлекать из воды. Однако высокая стоимость платины, необходимой для топливных элементов, является одним из основных препятствий.
Одним из многообещающих подходов является использование альтернатив платины, таких как железо. Проблема в том, что эти альтернативы еще не получили широкого распространения, поскольку они менее стабильны и быстрее разлагаются в водородных топливных элементах.
«Один из подходов заключается в использовании платиновых альтернатив, таких как железо, которое стоит всего около 0,1 доллара США за килограмм, — говорит г-н Лю. — Особенно многообещающим материалом является железо-азот-углерод, также известный как Fe-NC».
Однако эти новые альтернативы платине в настоящее время не являются широко доступными, поскольку они не так стабильны, как платина, и быстрее разрушаются в водородных топливных элементах.
«В то время как топливные элементы на основе платины могут работать до 40 000 часов, топливные элементы из железо-азот-углеродных материалов могут работать только 300 часов», — говорит доктор Мейер.
Чтобы справиться с этими проблемами, проф. Чжао разработал метод, позволяющий понять, почему некоторые каталитические материалы не так стабильны, как платина. Этот метод позволяет быстро и точно анализировать эффективность топливных элементов и катализаторов.
Используя три новых метода, которые мы протестировали в лаборатории, мы можем быстро выяснить, насколько стабилен наш топливный элемент, не содержащий платины, и, что более важно, понять, почему. Этот подход может быть легко использован учеными в других лабораториях для получения быстрой и точной информации об эффективности их топливных элементов и катализаторов.
Профессор Чуан Чжао, Химическая школа UNSW
По сути, у вас есть две стороны — анод и катод. Вы кладете водород на одну сторону [o ânodo] и кислород другого [o cátodo] и катализаторы, которые вызывают две реакции. Одна реакция заключается в расщеплении водорода на протоны и электроны, а затем другая сторона, окислительная сторона кислорода. Протоны и электроны реагируют с кислородом на катоде с образованием воды и электричества.
Доктор Квентин Мейер из Школы химии UNSW
«Мы сталкиваемся с проблемой «курицы или яйца», когда у нас недостаточно перерабатываемого водорода или недостаточно мест для использования водорода после его извлечения», — говорит профессор. Чжао. «Поэтому, когда мы начнем производить больше водорода и больше топливных элементов, они оба станут дешевле».
С помощью этих методов команда обнаружила, что до 75% активных участков на основе железа (специфических участков, где происходят реакции) становятся неактивными в течение первых десяти часов работы топливного элемента из-за потери активных участков железа. За этим следует углеродная коррозия, которая становится преобладающим механизмом деградации.
Это важно, поскольку мы можем точно определить, что происходит и когда это происходит. Если мы разработаем материал с более стабильными активными центрами, мы увидим более медленный распад в течение первых десяти часов, тогда как углеродная коррозия может иметь аналогичную тенденцию.
Доктор Квентин Мейер из Школы химии UNSW
«Позволяя точно отслеживать механизмы деградации, мы надеемся, что область исследований сможет производить новые материалы, решающие эти проблемы стабильности. В результате мы считаем, что наш подход поможет улучшить стабильность катализаторов, не содержащих платину, и обеспечит этой области более светлое будущее», — продолжил д-р Мейер.
Следующим шагом команды является разработка катализатора, который сочетает в себе различные металлы для повышения его стабильности. Кроме того, они ищут способы сделать недорогой катализатор водородных топливных элементов более масштабируемым и применимым в реальных устройствах.
Ожидается, что благодаря этим открытиям и достижениям область водородных топливных элементов будет двигаться вперед, обеспечивая более светлое будущее для платиновых альтернатив и стимулируя использование экологически чистых видов топлива во многих секторах, включая транспорт.
Вы смотрели новые видео на YouTube цифрового взгляда? Подписывайтесь на канал!