Компьютерра - Компьютерра PDA N124 (23.07.2011-29.07.2011)
На одной части устройства проходит процесс окисления, это означает, что мы забираем у вещества электрон. На другой части устройства идет процесс восстановления, то есть добавление к веществу электрона. При этом электрон бежит не через реакционную среду, а направлен в электрическую сеть, и пока он от окисляемого топлива пробежит до восстанавливаемого кислорода, он успеет заставить работать лампочку, мобильный телефон, компьютер.
Звучит здорово, и это наиболее эффективный метод получения энергии из веществ, потому что таким образом мы напрямую энергию химической связи конвертируем в электрическую. В двигателе внутреннего сгорания КПД составляет десятки процентов (самые эффективные 20-30 %). А КПД топливного элемента чисто термодинамически может достигать 98%, на практике эти устройства работают с КПД около 50 % и стремятся к 70-80%. Это очень эффективный метод, а оба процесса - и окисления топлива, и восстановления кислорода, протекают на катализаторах.
Катализаторы для низкотемпературных топливных элементов, которые работают при температуре ниже ста градусов, наиболее интересны для нас. К глубочайшему сожалению, в тех условиях, в которых работают наиболее эффективные топливные элементы, наибольшую каталитическую активность проявляет платина. Ее стоимость составляет сейчас примерно 2 тысячи долларов за унцию, золото стоит около полутора тысяч, а палладий, который участвует в названии нашего проекта, стоит около 600 долларов. Это тоже дорогой металл, однако, он более распространен в земной коре, и его мировые запасы больше, чем платины, поэтому в электрокаталитическом сообществе в последнее десятилетие именно палладиевые катализаторы привлекают значительный интерес.
Но с палладием есть проблема, и здесь я перехожу непосредственно к задачам нашего проекта. Хотя он по своим каталитическим и электрокаталитическим свойствам во многом схож с дорогостоящей платиной, его активность в электроокислении водорода на два порядка ниже, а стоимость всего раза в три-четыре меньше.
То есть, очевидно, что мы не имеем никаких преимуществ при прямой замене Pt на палладий. В связи с этим начались поиски способов повышения его активности в реакции электроокисления водорода. Это достигалось за счет сплавления с другими металлами, модификаций другими элементами, в частности, в рамках этого проекта мы сделали интересное, как нам кажется, открытие, именно для палладиевых катализаторов, по которому сейчас пишем публикацию.
- Что за открытие?
- Для электрокаталитических приложений платину, палладий, рутений традиционно модифицируют такими же благородными или неблагородными металлами. Мы же впервые модифицировали палладий углеродом и показали, что в данном случае возрастание его активности не меньше, чем при его модификации дорогостоящим золотом. Это мы обнаружили сразу, когда начали работать в рамках проекта, и сейчас мы развиваем это направление и пытаемся приблизить его к практическому применению.
- Расскажите о методах расщепления воды на водород и кислород, которые используются в вашей работе.
- В чем интерес к водородному топливу? Жидкий метанол, пропанол, этанол по соотношению энергии к весу гораздо более энергоемкие топлива, чем баллон водорода. Если мы возьмем чашку жидкого этанола и такого же объема баллончик водорода под давлением, то выгоднее будет носить с собой чашку спирта, ее на дольше хватит. Но чтобы эффективно электрокаталитически окислить метанол, этанол и другие легкие органические вещества, обычные платиновые и палладиевые катализаторы непригодны, потому что они очень быстро дезактивируются.
Это происходит в связи с тем, что в результате процесса окисления легких спиртов образуются органические загрязнители, которые блокируют поверхность катализатора, топливный элемент становится неэффективным, и чтобы он хоть как-то работал, нужно повышать температуру выше ста градусов, создавать электроды с очень высоким содержанием благородных металлов. В результате мы получаем очень дорогое и непривлекательное для широкого применения устройство.
В случае водорода эта проблема отсутствует, но только если водород будет идеально чистым. Наиболее распространенный метод получения водорода - это реформинг, паровая конверсия органических веществ. Если у нас есть органическое соединение, состоящее из углерода, водорода и кислорода, спирт, например, то при определенных условиях его можно расщепить.
Представьте, у нас есть углерод, кислород и водород, мы извлекаем оттуда водород, остается углерод и кислород. Естественно, после процесса конверсии углеводорода они превратятся либо в СО2 - углекислый газ, либо в СО - моноксид углерода, угарный газ. Последнее соединение чрезвычайно неприятно и в плане воздействия на человека, и в плане электрокатализа.
Если СО2 является безвредным для анодных катализаторов ТЭ, и его можно удалить, то СО полностью удалить весьма сложно, и в неких ничтожных количествах он все равно остается в водородном топливе. А если он присутствует в водороде, который мы подаем на топливный элемент, то он очень быстро покрывает поверхность катализатора, дезактивирует его, и топливный элемент становится абсолютно неэффективным.
Наши палладиевые катализаторы по устойчивости к отравлению угарным газом во многом превосходят классические платиновые системы. Чтобы избежать проблемы отравления анодных катализаторов и исключить дорогостоящие стадии очистки топлива, наиболее перспективно получение изначально чистого водорода. Поэтому очень большой интерес вызывает именно процесс расщепления воды на водород и кислород.
Понятно, в воде нет углерода, и при ее расщеплении не образуются никакие загрязняющие вещества. Водород, полученный из воды, по чистоте может достигать 99.99 %. Но вода очень устойчивое соединение, и согласно законам термодинамики, энергетически гораздо более выгодно водороду с кислородом провзаимодейстовать и образовать воду, чем из воды получать водород и кислород.
Способов получить из воды водород и кислород много. Значительный интерес представляет ферментативный способ. Конечно, процесс не очень эффективный, но любопытный, другой метод - фотокаталитический, то есть расщепление за счет энергии солнца (ультрафиолета). Для этого необходимо поместить в воду и подвергнуть ультрафиолетовому облучению, которое может поступать от солнца. В результате происходит процесс расщепления воды на водород и кислород. Но тут возникает проблема разделения водорода и кислорода, так как их образование пространственно не разделено.
И еще один метод, наиболее мне близкий, электрокаталитический. Его суть заключается в том чтобы заставить работать водородный топливный элемент в обратном направлении - то есть не по пути окисления, а по пути восстановления водорода. Для этого на электроды ТЭ подают электрический ток (то есть теперь он потребляет электричество, а не вырабатывает его).
И чем активнее катализатор, тем более эффективно мы расщепляем воду на водород и кислород. Данный метод позволяет получать абсолютно чистое вещество, так как в топливном элементе процессы выделения водорода и кислорода разделены в пространстве. Такая схема, конечно, вызывает много скепсиса. Сначала мы потратили много энергии на то, чтобы из воды достать водород, а потом возьмем его и начнем точно также окислять. Нелогично. Если б мы могли это сделать без потерь энергии, то мы бы получили вечный двигатель, что невозможно.
Понятно, что глобально эта схема абсолютно неэффективна, но она обретает смысл, если реализовать процессы получения водорода ферментативно и фотокаталитически, либо электрокаталитически за счёт возобновляемых источников, энергию которых необходимо запасать. Конечно, можно поставить на зарядку много аккумуляторов и забыть о топливных элементах. Но в настоящем времени аккумуляторные батареи по показателю "запасаемая энергия-вес", по-видимому, достигли своего передела.
Безусловно, сейчас у нас очень маленькие аккумуляторы, но значительно меньше они навряд ли станут. Для телефона это не проблема, а если нужно питать что-то более серьезное, например, автомобиль, то аккумуляторы уже будут громоздкими и неудобным, и гораздо более эффективно было бы использовать топливные элементы. К тому же аккумуляторы требуют зарядки, в топливном элементе такой проблемы нет.
Мы можем заставлять его работать бесконечно, подавая топливо на один электрод, а кислород на другой. Поэтому многие считают, что за топливными элементами энергетическое будущее. Безусловно, на 100% мы не будем обеспечены электричеством за счет топливных элементов. По моему личному мнению, будущее за ядерной энергетикой, потому, что других альтернатив у нас пока нет. Но топливные элементы будут эффективны для обеспечения электроэнергией мобильных устройств и населённых пунктов, расположенных в труднодоступных местах.
