Учёные разработали систему производства водорода с автономным питанием

Исследовательская группа под руководством профессора Чон Ку Канга из Департамента материаловедения и инженерии разработала систему производства водорода с автономным питанием на базе мощного цинк-воздушного аккумулятора. Этот аккумулятор в процессе работы поглощает кислород из воздуха и используют его в качестве окислителя. Преимуществом такого аккумулятора является длительный срок эксплуатации, но к минусам следует отнести небольшую электродвижущую силу.

Есть путь получения «зелёного» водорода. Здесь речь идёт о расщеплении воды с пользованием возобновляемых источников энергии. Это ветрогенераторы и солнечные панели. Но такие источники энергии нерегулярны по выработке из-за колебаний температуры и изменчивости погоды. Поэтому процесс расщепления воды с помощью таких источников имеет низкую эффективность.

Чтобы преодолеть этот недостаток, учёные предлагают использовать воздушные аккумуляторы, которые могут выдавать напряжение 1,23 В. Этого достаточно для расщепления воды. Однако, чтобы аккумуляторные батарея имела достаточную ёмкость, требуется использование дорогостоящих катализаторов, изготавливаемых с использованием драгоценных металлов. Но здесь появляется другая проблема. Производительность каталитических материалов существенно ухудшается во время длительных циклов заряда и разряда. Поэтому необходимо такие катализаторы, которые эффективно работают в электродах цинково-воздушных аккумуляторов при протекании реакции расщепления воды (восстановление и выделение кислорода).

Свой ответ для решения проблемы предложила исследовательская группа профессора Канга. Они использовали синтез каталитического материала из недрагоценных металлов (G-SHELL). Эта технология эффективна для трёх различных каталитических реакций (выделение кислорода, выделение водорода и восстановление кислорода). Процесс идёт посредством наращивания наноразмерных металлоорганических каркасов на оксиде графена.

Команда исследователей включила разработанный каталитический материал в воздушный катод цинково-воздушного аккумулятора. Им удалось подтвердить, что он обеспечивает в пять раз большую энергетическую плотность (797 Вт·ч/кг), а также высокие мощные основные характеристики (275,8 мВт/см²). Долговременная стабильность сохраняется даже в условиях многократного заряда и разряда, если сравнивать с обычными аккумуляторами.

Кроме этого, цинково-воздушный аккумулятор работающий с использованием водного электролита, надёжно защищён от риска возгорания. Подобные системы могут использоваться в качестве устройств хранения энергии следующего поколения. Возможно, что подобные системы будут включать себя электролиз воды, предлагая производство водорода экологически чистым способом.

Исследователи объясняют, что каталитический материал с высокой активностью и длительным сроком службы трёх электрохимических реакций при низких температурах представляет собой существенный рывок вперёд для снятия имеющихся ограничений производства зелёного водорода. Кроме того, будет полезна разработка системы создания водорода с автономным питанием, которая была предложена учёными на базе цинково-воздушного аккумулятора.

В качестве соавторов исследования выступили Дон Вон Ким и Джихун Ким с кафедры материаловедения и инженерии KAIST. Данная работа была поддержана программой развития нанотехнологий и технологий материалов Министерства науки и ИКТ и Национальным исследовательским фондом Корейской лаборатории исследований будущих технологий.