реклама
Разработка возобновляемых источников энергии является ключевым элементом перехода к новому этапу развития энергетики. Долгосрочная трансформация мирового энергетического рынка немыслима без современных технологий хранения энергии. К ним относятся аккумуляторы, которые позволяют накапливать электричество в форме химической энергии. Важнейшим условием эффективной работы аккумуляторов является наличие катализаторов, которые позволяют оптимизировать протекание необходимых химических реакций.
реклама
Сегодня катализаторы на основе платины считаются эталоном в химии аккумуляторных батарей коммерческого назначения. Однако у них есть существенный недостаток: платина встречается в земной коре крайне редко и поэтому стоит очень дорого.
В связи с этим ученые из дрезденской исследовательской лаборатории Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) разработали новый катализатор на основе циркония. Новое решение способно заменить платину и при этом преобразовать батарею в источник энергии.
Исследователи утверждают, что новый катализатор значительно повышает эффективность зарядки и разрядки аккумуляторных ячеек. Кроме того, он отличается исключительной долговечностью - после 130 часов работы тестовая батарея сохранила 92% своего первоначального заряда.
Команда исследователей занимается изучением химико-физических характеристик аккумуляторных катализаторов. Как правило, они представляют собой металлические наноструктуры зафиксированных на специальной подложке, при этом атомы металла работают как каталитически активные центры. Не последнюю роль в эффективности таких катализаторов играет размер металлических наночастиц. Как показала практика, размер металлических частиц обратно пропорционален активности катализатора. Другими словами, чем меньше размер металлических частиц, используемых в катализаторе, тем выше его каталитическая активность.
"Конечным рубежом является одноатомный катализатор: изолированные атомы металла, равномерно распределенные на подложке", - объясняет профессор Мингао Ю из Технического университета Дрездена. Ученый занимается разработкой катализаторов на основе отдельных атомов переходных металлов - таких как цирконий. (Они удерживаются в углеродной матрице соседними атомами углерода или азота, расположенными в одной плоскости).
"Однако в нашем случае над атомом металла находится атом кислорода. Он выполняет роль дополнительного координационного партнера, который взаимодействует с электронной структурой циркония", - рассказывает ученый, подчеркивая уникальную особенность, которая возможно приведет к созданию новой стратегии построения передовых одноатомных катализаторов.
В процессе работы ученые учитывали еще один фактор, связанный с миниатюризацией. Чем меньше размер частиц, тем чаше они скапливаются в небольшие кластеры. Такой эффект, в свою очередь, приводит к снижению эффективности, особенно при высоких плотностях рабочего тока. Ученым удалось избежать агломерации и создать стабильные, мелкодисперсные кластеры с высокой каталитической активностью благодаря использованию подходящего материала-носителя (подложки). Таким образом, при равномерном распределении атомов металла катализаторы способны достигать высокой активности и селективности.
"Нам удалось изолировать синтезированный материал на поверхности кварцевых сфер. Они имеют пористую структуру и благоприятствуют протеканию каталитических реакций. В ходе работы мы обнаружили выраженную устойчивость циркония к процессу агломерации, поэтому нам удалось максимально заполнить катализаторы наночастицами этого металла. В итоге мы добились рекордной удельной мощности среди всех воздушно-цинковых аккумуляторов, которые изготавливались ранее с использованием одноатомных катализаторов", - заявляет доктор Агнешка Куц из Института экологии ресурсов при Центре Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR).
Источники и ссылки: Journal Inceptive Mind, Wiley Online Library, Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf
1. (https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=67704)
2. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202209746)
3. (https://www.inceptivemind.com/novel-catalyst-boosts-zinc-air-battery-record-power-density/28816/)