22.08.2014

Топливо из батарейки

Американские химики создали карманный расщепитель воды на кислород и водород, работающий от мизинчиковой батарейки.

Химики из Стэнфордского университета создали портативное устройство, способное снабжать водородом топливные энергоячейки в портативных устройствах или в экоавтомобилях, расщепляя воду при помощи катализатора из никеля и железа и простой мизинчиковой батарейки. Схема устройства, физические принципы его работы и итоги проверки его первого прототипа представлены в статье в журнале Nature Communications.

«Водород является идеальным топливом для автомобилей, умных приборов в зданиях, он подходит и для хранения возобновляемой энергии, которая в дальнейшем может быть использована в электросети. Мы очень рады, что нам удалось создать катализатор, который одновременно является очень активным и крайне дешевым. Данное открытие показывает, что наноинженерия действительно позволяет по-новому производить топливо», — рассказывает Хун-цзе Дай из Стэнфордского университета (США).

Дай и сотрудники его химической лаборатории — пионеры в области создания и освоения новых источников энергии и способов ее хранения. К примеру, в 2011 году химики и физики из Стэнфорда вспомнили об одном из первых источников питания - никель-железной батарее Эдисона - и ускорили ее работу в тысячу раз при помощи графена. Это превратило изобретение американского «отца электричества» в сверхэффективный и емкий конденсатор, который можно использовать для быстрого разгона экоавтомобилей и сохранения энергии во время торможения.

Когда Стэнфордские физики экспериментировали с батареей Эдисона, их привлекли необычные электрохимические свойства никеля, потенциально способные помочь ученым найти святой Грааль современной электрохимии — создать особый катализатор, который позволял бы дешево и эффективно расщеплять воду на кислород и водород. Сегодня практически весь водород, который используется в качестве источника энергии в топливных ячейках в автомобилях и ноутбуках, производится путем окисления метана при помощи водяного пара. Во время этой реакции молекулы воды и углеводорода превращаются в так называемый синтез-газ — высокотоксичную и опасную для окружающей среды смесь из водорода и угарного газа.

Все существующие на сегодня альтернативные способы получения водорода, в том числе расщепление воды при помощи света или электрического тока, экономически нерентабельны по разным причинам. Так, классический электролиз воды требует больше энергии, чем окисление метана и очистка синтез-газа от угарного газа. Когда ученые и технологи пытались ускорить разложение воды при помощи соединений редкоземельных металлов, им постоянно приходилось очищать и перерабатывать эти катализаторы, во время чего часть драгоценного вещества безвозвратно теряется. Это делает процесс гидролиза еще более экономически невыгодным.

Проблему нерентабельности разложения воды группе Дая удалось решить при помощи микропленок из никеля, железа и их соединений. В ноябре 2013 года Стэнфордские физики представили первое свое изобретение на базе этих металлов — световой расщепитель воды в виде тонкой пластинки из кремния с наклеенной на него пленкой из никеля толщиной в два нанометра. Это устройство было достаточно долговечным, работая свыше 80 часов без смены катализатора, но при этом оно вырабатывало не так много водорода — около 150 миллилитров.

Первый успех убедил авторов, что они могут создать такой катализатор на базе никеля и железа, который одновременно был бы долговечным и позволял бы расщеплять воду при комнатной температуре, давлении и при низком напряжении и силе тока. Через несколько месяцев экспериментов с пленками и различными наночастицами этих металлов и их соединений физики из Стэнфорда обнаружили, что эту задачу может решить смесь из микрочастиц оксида никеля и кусочков чистого металла, организованная в некое подобие кубов с выступающими гранями.

«Мой ученик Гун Мин обнаружил, что наноструктуры из металлического никеля и его оксида гораздо активнее взаимодействуют с водой, чем катализаторы из чистого металла или его окисла по-отдельности. Открытая нами архитектура наночастиц благоприятствует извлечению водорода из воды, однако мы до сих пор не до конца понимаем те физические принципы, которые управляют работой этого катализатора», — объясняет Хун-цзе Дай.

Прототип расщепителя из никеля и его оксида начинал действовать даже в том случае, если к нему была подключена всего одна мизинчиковая или пальчиковая батарейка. Как отмечают авторы статьи, расщепление воды при напряжении в 1,5 Вольта ранее считалось невозможным для катализаторов, не содержащих в себе иридий, палладий и другие благородные металлы.

«Электроды в нашем изобретении относительно стабильны с химической и физической точки зрения, однако они все же медленно, но верно разрушаются во время эксплуатации расщепителя. Текущий прототип устройства может проработать несколько дней, однако нам хотелось бы продлить его жизнь на недели и месяцы. Судя по последним результатам тестов в моей лаборатории, эту цель вполне можно реализовать в ближайшее время», — продолжает Дай, рассказывая о долговечности новинки своей лаборатории пресс-службе Гарварда.

Как считают авторы статьи, их изобретение является первым свидетельством того, что электролиз воды может быть экономически рентабельным. По их мнению, данный катализатор можно использовать для подзарядки топливных ячеек ноутбуков и другой «зеленой» портативной техники, которая сегодня начинает появляться на прилавках магазинов в развитых странах. В будущем, когда гарвардские химики увеличат сроки эксплуатации своего изобретения, его можно будет использовать для заправки экоавтомобилей. Ученые не уверены, успеют ли они создать новую версию катализатора к 2015 году, когда в США начнутся продажи первых автомобилей на топливных ячейках, однако они не сомневаются, что смогут решить эту задачу относительно скоро.

Александр Телишев

Источники:

1. rusplt.ru