Изобретение дешевого водородного топливного элемента

Исследователи Imperial разработали новый водородный топливный элемент, в котором вместо редкой и дорогой платины используется железо, что позволяет более широко использовать эту технологию.

Новый топливный элемент проходит испытания в лаборатории. Предоставлено: Имперский колледж Лондона.

Водородные топливные элементы преобразуют водород в электричество, используя в качестве побочного продукта только водяной пар, что делает их привлекательной зеленой альтернативой портативным источникам энергии, особенно для транспортных средств.

Однако стоимость одного из основных компонентов препятствует его широкому внедрению. Топливные элементы полагаются на катализатор из платины, которая дорога и дефицитна, чтобы способствовать реакции, которая генерирует энергию.

Теперь европейская команда под руководством исследователей Имперского колледжа Лондона создала катализатор, используя только железо, углерод и азот — дешевые и легкодоступные материалы — и продемонстрировала, что его можно использовать для работы топливного элемента на высокой мощности. Их результаты опубликованы сегодня (25 апреля 2022 г.) в журнале Nature Catalysis.

Стоимости топливного элемента

Ведущий исследователь профессор Энтони Куцернак с химического факультета Imperial сказал: «В настоящее время около 60% стоимости одного топливного элемента приходится на платину для катализатора. Например, чтобы сделать топливные элементы реальной жизнеспособной альтернативой автомобилям, работающим на ископаемом топливе, нам нужно снизить эту стоимость».

«Наша более дешевая конструкция катализатора должна сделать это реальностью и позволить развернуть значительно больше систем возобновляемой энергии, использующих водород в качестве топлива, что в конечном итоге сократит выбросы парниковых газов и поставит мир на путь к нулевым выбросам».

Инновация команды заключалась в создании катализатора, в котором все железо было рассеяно в виде отдельных атомов в электропроводящей углеродной матрице.

Одноатомное железо имеет другие химические свойства, чем массивное железо, где все атомы сгруппированы вместе, что делает его более реакционноспособным.

Эти свойства означают, что железо ускоряет реакции, необходимые в топливном элементе, действуя как хороший заменитель платины. В ходе лабораторных испытаний команда показала, что катализатор на основе одного атома железа по производительности приближается к катализаторам на основе платины в реальной системе топливных элементов.

Создание катализаторов

Помимо производства более дешевого катализатора для топливных элементов, метод, разработанный командой, может быть адаптирован для других катализаторов для других процессов, таких как химические реакции с использованием атмосферного кислорода в качестве реагента вместо дорогих химических окислителей, а также для очистки сточных вод, использование воздуха для удаления вредных примесей.

• Первый автор, доктор Асад Мехмуд из химического факультета Imperial, сказал: «Мы разработали новый подход к созданию ряда «одноатомных» катализаторов, которые дают возможность реализовать ряд новых химических и электрохимических процессов. В частности, мы использовали уникальный синтетический метод, называемый трансметаллированием, чтобы избежать образования кластеров железа во время синтеза. Этот процесс должен быть полезен для других ученых, желающих приготовить аналогичный тип катализатора».
• Команда сотрудничала с британским производителем катализаторов для топливных элементов Johnson Matthey, чтобы протестировать катализатор в соответствующих системах и надеется расширить масштабы своего нового катализатора, чтобы его можно было использовать в коммерческих топливных элементах. Тем временем они работают над улучшением стабильности катализатора, чтобы он соответствовал платине как по долговечности, так и по производительности.

Источник

Метки: энергия