Учёные разработали материал для снижения деградации катализаторов
Инженеры из Университета Иллинойса в Чикаго разработали материал, который может дать серьёзное преимущество топливным элементам по сравнению с аккумуляторными системами, которые в настоящее время обеспечивают питание большинства электромобилей. В отличие от литий-ионных аккумуляторов разработанная ими технология основывается на химических реакциях, запускаемых катализатором для создания энергии.
Литиевые аккумуляторы на одном заряде обычно обеспечивают запас хода от 160 до 480 км. Однако они являются дорогими из-за высокой стоимости катодных материалов. К тому же, для восстановления заряда потребуется несколько часов. В качестве альтернативы они разрабатывали системы топливных элементов. При их работе используется кислород и водород. На одном заряде такие элементы позволяют проехать до 640 км. А саму замену топливных элементах можно выполнить примерно за 5 минут. Но в них также есть дорогостоящие материалы. Это катализаторы, которые используются для запуска их реакций (например, платина).
В результате разработки нового аддитивного материала ученые могут сделать недорогой железо-азотно-углеродный катализатор топливных элементов более долговечным. Присадки при добавлении в химические реакции защищают систему топливных элементов от двух наиболее агрессивных побочных продуктов. Это нестабильные частицы (атомы, молекулы или ионы, называемые свободными радикалами) и перекись водорода. Результатах своего исследования они написали статью в научном журнале Nature Energy.
Профессор машиностроения и промышленной инженерии в Инженерном колледже UIC, Реза Шахбазиан-Яссар, со своими коллегами использовали продвинутые методы визуализации для исследования реакций с материалом и добавкой, состоящей из наночастиц оксида тантала и титана, которые удаляют и дезактивируют свободные радикалы. Изображение атомных структур с высоким разрешением дало возможность исследователям определить структурные параметры, которые требуются для работы этой добавки.
Шахбазиан-Яссар говорит, что в их лаборатории можно использовать электронную микроскопию для получения высокодетализированных изображений материалов с атомарным разрешением в различных условиях эксплуатации. Такие структурные исследования позволили им определить, какие процессы идут в атомной структуре добавок. Они узнали размер наночастиц-поглотителей, а также соотношение оксида тантала и титана. Это обеспечило понимание правильного состояния сплава в твердом растворе, необходимого для присадки. Это обеспечивает защиту топливного элемента от коррозии и деградации.
Проведённые эксперименты показали, что требуется твердый раствор оксида тантала и титана. Размер наночастиц должен составлять примерно 5 нанометров. В результате экспериментов также было выяснено, что требуется соотношение тантала и оксида титана 6:4. Шахбазиан-Яссар говорит, что это соотношение является ключом к свойствам материала наночастиц поглощать радикалы. Твёрдотельный раствор помогает поддерживать структуру окружающей среды. В результате экспериментов выяснилось, что когда материал наночастиц поглотителя был добавлен к реакциям систем топливных элементов, выход пероксида водорода был подавлен менее чем до 2% (снижение составило 51%). Затухание плотности тока топливных элементов снизилось с 33% до 3%.
По мнению Шахбазиан-Яссара, топливные элементы являются перспективной альтернативой литий-ионным аккумуляторам, поскольку они обеспечивают больший запас хода, возможность быстрой перезарядки, имеют меньший вес и меньший объём. Но это всё будет иметь значение, если удастся найти более экономичные способы выделения и хранения водорода, говорит он. Вот в этой статье исследователи более подробно написали о результатах проведённого исследования.
Исследование было поддержано министерством энергетики США, Национальным научным фондом и наноцентром Мэриленда.
(голосов: 2, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
