Платим блогерам
Блоги
amv212
Инновационный катализатор способен увеличить плотность энергии в воздушно-цинковых аккумуляторах до рекордных значений

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.

Пористый катализатор (красные шарики) содержит на своей поверхности плотные каталитически активные циркониевые участки ( пример - желтый круг). Такое решение позволяет ускорить химические процессы, связанные с накоплением энергии в аккумуляторных батареях. Journal Inceptivemind. Credit: HZDR/Bernd Schröder, Minghao Yu.

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).

Ученые разработали первый в мире одноатомный катализатор на основе циркония (Zr) со стабильной пентакоординированной структурой и высокой степенью загрузки одноатомных частиц Zr. Благодаря высокой активности катализатора, собранный воздушно-цинковой элемент обеспечил рекордно высокую удельную мощность среди всех воздушно-цинковых батарей на основе одноатомных катализаторов. Journal Inceptive Mind. Institute of Resource Ecology at Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

"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/)

 

+
Написать комментарий (0)

Популярные новости

Популярные статьи

Сейчас обсуждают