Электрификация источников энергии - ключ к отказу от парниковых газов. Но возобновляемая электроэнергия имеет свои недостатки: ее производство из природных источников может быть нестабильным, а батареи часто изготавливаются из невозобновляемых материалов, таких как литий, и имеют ограниченную емкость для аккумулирования энергии.
Christophe Papke
В этом случае на помощь может прийти технология водородного топлива, которая, по мнению исследователей, обладает большим энергетическим потенциалом, чем обычные батареи. Топливные элементы преобразуют водород, (самый распространенный элемент в нашей Вселенной), в электричество без выделения углерода. И хотя некоторые автомобили используют водородные топливные элементы (например, Toyota Mirai) крупномасштабная реализация этой технологии ограничена зависимостью от платины - дорогого драгоценного металла, который используется в топливных элементах в качестве катализатора.
Но теперь ученые надеются изменить эту ситуацию. В новом научном проекте, опубликованном в понедельник в журнале Nature Catalysis, исследователи из Имперского колледжа Лондона и ряда других европейских исследовательских институтов разработали водородный топливный элемент, в котором в качестве катализатора используется железо, намного более дешевый металл. В ходе экспериментов новый топливный элемент работал почти так же эффективно, как элемент на основе платины. Эта более доступная альтернатива может снизить производственные затраты, делая технологию более доступной и еще один на шаг приблизиться к тому, чтобы оказаться под капотом вашего следующего автомобиля.
По данным Управления энергетической информации США, топливные элементы работают путем соединения атомов водорода с атомами кислорода в ходе химической реакции, в результате которой вырабатывается электричество, вода и выделяется небольшое количество тепла. В таких топливных элементах обычно используется катализатор - вещество (в данном случае платина), которое ускоряет реакцию. "Платина не дешева, относительно дефицитна и в настоящее время составляет порядка 60 процентов стоимости одного топливного элемента", - рассказал в пресс-релизе Энтони Кучернак, химик из Имперского колледжа Лондона и ведущий автор нового исследования. "Чтобы сделать топливные элементы реальной жизнеспособной альтернативой, работающим на ископаемом топливе, необходимо снизить эту стоимость", - сказал он.
Для достижения поставленной задачи учёные обратились к железу - сверхпрочному и дешевому металлу. Инновация команды заключалась в создании катализатора, в котором все железо было рассеяно в виде отдельных атомов в электропроводящей углеродной матрице. Атомарное железо имеет иные химические свойства, чем в едином изделии, где все атомы сгруппированы вместе, что делает его более реакционноспособным. Оказалось, что такой катализатор производит почти столько же электроэнергии, сколько топливный элемент на основе платины, что означает, что мы сможем обойти запредельные затраты, мешающие коммерческому использованию водородного топлива.
Водородный топливный элемент на основе железа, тестируемый в лаборатории. Imperial College London
Технология не ограничивается водородными топливными элементами. Исследователи считают, что она может снизить затраты для широкого спектра коммерческих применений, таких как химические реакции с использованием атмосферного кислорода в качестве реагента вместо дорогих химических окислителей, а также при очистке сточных вод с использованием воздуха для удаления вредных загрязняющих веществ.
"Мы разработали новый подход к созданию целого спектра "одноатомных" катализаторов, которые позволяют реализовать самые разные химические и электрохимические процессы", - сказал в релизе Асад Мехмуд, химик из Имперского колледжа и первый автор исследования. "В частности, мы использовали уникальный метод, называемый трансметаллированием, позволяющий избежать образования кластеров железа во время синтеза. Этот процесс должен быть полезен для других ученых, которые хотят получить катализатор подобного типа".
Несмотря на то, что этот новый железный катализатор для водородных топливных элементов не так долговечен, как платина, исследователи Имперского колледжа работают над усовершенствованием технологии. В будущем они надеются увеличить ее масштабы, чтобы "в один прекрасный день водородные топливные элементы как возобновляемый источник энергии могли стать нормой, а не исключением из правил".
Источники: Nature Catalysis, Energy Information Administration (EIA), Imperial College London
(https://www.nature.com/articles/s41929-022-00772-9)
(https://www.eia.gov/energyexplained/hydrogen/use-of-hydrogen.php)
(https://www.imperial.ac.uk/news/235714/cheaper-hydrogen-fuel-cell-could-mean/)
