Учёные занимаются разработкой методики проверки стабильности водородных топливных элементов

Учёные из Сиднейского университета нового Южного Уэльса разрабатывают способы повышения эффективности и снижения стоимости водородных топливных элементов. В гонке за будущее без углерода водород позиционируется в качестве ключевого элемента. Потенциал водорода в этом плане огромен, но коммерциализация идёт медленно. Разработкой занимались несколько учёных, включая профессора Чуан Чжао, доктора Квентина Мейер и Шиянг Лю из Школы химии Университета Нового Южного Уэльса.

На данный момент основная проблема со стоимостью заключается в использовании платины. Этот металл применяется в качестве катализатора, необходимого для активации процесса. Важное значение имеет поиск альтернативы платиновым катализаторам. Результаты своего исследования команда профессора Чжао опубликовала в журнале Energy & Environmental Science. Учёные работали над поиском альтернативы платине, и результаты их труда позволяют по-новому посмотреть на экономические перспективы водородных топливных элементов.

Коротко о водородных топливных элементах

Водородные топливные элементы были разработаны в качестве экологически чистого источника энергии ещё в XIX веке. В основе процесса лежит химическая реакция расщепления водорода на электроны и протоны. Конечными продуктами являются электричество и вода. Водород помещается на анод, а кислород на катод. Помимо этого, ещё есть катализаторы, запускающие обе реакции. В результате первой реакции водород расщепляется на электроны и протоны, а затем окисляется кислород. Электроны и протоны реагируют друг с другом на катоде. В результате образуется электричество и вода.

Основное отличие между аккумуляторами и водородными топливными элементами заключается в том, что последние не требуют зарядки. У вас просто есть водородный насос, и заправка автомобиля на водородных топливных элементах отнимает всего несколько минут. Процесс не только экологически чистый, но и устойчивый. Водород является распространённым элементом и его можно извлечь из обычной воды.

Проблема высокой стоимости

Основной проблемой процесса является высокая стоимость катализатора. Он состоит из платины, которая образует основной средний слой топливного элемента. А платина крайне дорогой материал. Существуют примеры, когда в качестве альтернативы используется железо. Перспективным материалом для катализатора является сочетание железо-азот-углерод (Fe-N-C).

Однако альтернативы платине сейчас используются мало. Они не так стабильны, как платина и быстрее разрушаются в водородных топливных элементах. Катализаторы на базе платины могут работать до 40 тыс. часов (примерно 4,5 года). Материалы на базе Fe-N-C работают всего около 300 часов (или 2 недели). И это в лучшем случае.

Прогресс в этом направлении идёт медленно. Поиск альтернативных материалов и тестирование их долговечности является дорогостоящим и долгим процессом. Создание нового катализатора для водородных топливных элементов может занимать до 1 года. А потом потребуется ещё столько же времени, чтобы понять, каковы эксплуатационные характеристики и свойства полученного материала. К тому же, для этого требуется дорогостоящее оборудование.

Разработка методов анализов стабильности

Учёным нужно было дать ответ на существующие проблемы в сфере разработки каталитических материалов. Им нужно было понять, почему они имеют значительно меньшую стабильность, чем платина. Профессор Чжао отметил, что они использовали три новых метода. В лабораторных условиях они выясняли, насколько стабилен разработанный ими топливный элемент. Данный подход можно легко воспроизвести в других лабораториях и быстро понять эффективность катализаторов и топливных элементов.

Используя данные методики, команда учёных обнаружила, что до 75 активных участков на основе железа становятся неактивными в течение первых 10 часов работы топливного элемента. Это происходит из-за потери активных участков железа. После этого происходит углеродная коррозия, которая является основным механизмом деградации. Исследователи говорят, что это важно, поскольку если разработать материал с более стабильными активными центрами, то они увидят более медленные разложения. По их мнению, углеродная коррозия может иметь аналогичный эффект.

Имея возможность точно отслеживать механизмы деградации, исследователи в будущем смогут создавать новые материалы, которые решат проблемы стабильности. Поэтому в целом разработанный подход поможет улучшить стабильность катализаторов без платины.

Следующие шаги в этой области

Профессор Чжао, доктор Мейер и их команда нацелены на следующую цель в этом направлении. Сейчас они разрабатывают катализатор, комбинируя различные металлы для увеличения стабильности. Благодаря разработанной методике, о стабильности катализаторов без платины. Команда учёных сосредоточена на масштабировании недорогих катализаторов. Специалисты работают над тем, чтобы создать в лаборатории продукт, который можно было бы использовать для питания реальных устройств и электротранспорта на дорогах.