211service.com
Katalizator tańszych ogniw paliwowych
Nowy katalizator oparty na żelazie działa, a także katalizatory na bazie platyny do przyspieszania reakcji chemicznych wewnątrz wodorowych ogniw paliwowych. Odkrycie może sprawić, że ogniwa paliwowe do samochodów elektrycznych będą tańsze i bardziej praktyczne.
Receptura katalizatora: Do wytworzenia końcowego katalizatora używa się sadzy, octanu żelaza i czerwonego lub białego wypełniacza.
Badacze ogniw paliwowych szukali tańszych, bardziej obfitych alternatyw dla platyny, która kosztuje od 1000 do 2000 dolarów za uncję i jest wydobywana prawie wyłącznie w dwóch krajach: Afryce Południowej i Rosji. Jeden obiecujący katalizator, który wykorzystuje znacznie tańsze materiały – żelazo, azot i węgiel – jest od dawna znany z tego, że sprzyja niezbędnym reakcjom, ale z szybkością o wiele za małą, aby można ją było zastosować w praktyce.
Teraz naukowcy z Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) w Quebecu radykalnie zwiększyli wydajność tego typu katalizatora na bazie żelaza. Ich materiał wytwarza 99 amperów na centymetr sześcienny przy napięciu 0,8 V, co jest kluczowym pomiarem aktywności katalitycznej. To 35 razy więcej niż najlepszy dotychczas katalizator z metali nieszlachetnych i blisko celu Departamentu Energii dla katalizatorów ogniw paliwowych: 130 amperów na centymetr sześcienny. Dorównuje również wydajnością typowym katalizatorom platynowym, mówi Jean-Pol Dodelet , profesor energetyki, materiałów i telekomunikacji w INRS, który kierował pracami.
Poprawa, zgłoszona w najnowszym numerze czasopisma Nauka , jest dość zaskakujące, mówi Radoslav Adzic , starszy chemik w Brookhaven National Laboratory w Upton w stanie Nowy Jork, który opracowuje również katalizatory do ogniw paliwowych. Nowy materiał spełnia wyznaczony pięć lat temu wzorzec dla wodorowych ogniw paliwowych, o którym myśleliśmy, że nikt nigdy go nie spotka – dodaje Hubert Gasteiger , profesor wizytujący inżynierii mechanicznej na MIT. Po raz pierwszy zastosowanie katalizatora z metali nieszlachetnych ma sens.
Kluczowym spostrzeżeniem naukowców z INRS było znalezienie sposobu na zwiększenie liczby aktywnych miejsc katalitycznych w materiale – przy większej liczbie miejsc reakcji chemicznych, ogólna szybkość reakcji w materiale wzrasta. We wcześniejszych pracach naukowcy wykazali, że ogrzewanie sadzy (sproszkowanej postaci węgla podobnej do grafitu) do wysokich temperatur w obecności amoniaku i octanu żelaza tworzyło w węglu szczeliny o szerokości zaledwie kilku atomów. Atomy azotu wiążą się z przeciwległymi stronami tych maleńkich szczelin, a jon żelaza łączy te atomy, tworząc miejsce aktywne dla katalizy.
Aby zwiększyć liczbę tych miejsc, naukowcy wykorzystali komercyjnie dostępną formę węgla, która ma już dużą liczbę podobnie wąskich porów. Wypełnienie tych porów materiałem zawierającym azot i żelazo, a następnie podgrzanie mieszaniny skutkowało znacznie lepszymi szybkościami reakcji.
Katalizator zaprojektowano do pracy w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (PEM), typie ogniwa paliwowego preferowanego przez producentów samochodów, ponieważ działa ono w stosunkowo niskich temperaturach i ma wysoką gęstość mocy – to znaczy, że stosunkowo małe ogniwo paliwowe może wytworzyć wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby napędzać samochód. Ogniwa paliwowe PEM wykorzystują katalizatory na dwóch elektrodach. Jeden katalizator rozdziela wodór, a drugi promuje reakcję, w której protony i tlen powstają w celu wytworzenia wody. Druga reakcja jest trudniejsza do przeprowadzenia: w konwencjonalnych ogniwach paliwowych w obu elektrodach stosuje się platynę, ale po stronie produkującej wodę potrzeba 10 razy więcej. Nowy katalizator zastępuje platynę po stronie produkującej wodę, eliminując prawie całą platynę w ogniwie paliwowym.
Ostatnio w innym typie ogniw paliwowych, zwanym ogniwem alkalicznym, zademonstrowano inne katalizatory z metali nieszlachetnych, ale mogą one nie działać w środowisku kwaśnym w ogniwach paliwowych PEM. Jednocześnie wielu badaczy szuka sposobów na zmniejszenie potrzebnej ilości platyny, zamiast całkowitego zastępowania materiału. To może sprawić, że ogniwa paliwowe będą bardziej przystępne w krótkim okresie, chociaż ostatecznie, jeśli ogniwa paliwowe mają być szeroko stosowane, potrzebny będzie katalizator z metalu nieszlachetnego, mówi Adzic.
Dodelet uważa, że chociaż jego grupa rozwiązała problem zwiększenia aktywności katalizatora, pozostają jeszcze dwie znaczące przeszkody, zanim będzie on mógł być zastosowany w ogniwach paliwowych. Po pierwsze, należy poprawić trwałość katalizatora. Po 100 godzinach testów szybkość reakcji spadła o połowę. Po drugie, ponieważ katalizator może działać tylko tak szybko, jak dostarczane są reagenty, transport tlenu i protonów do materiału wymaga poprawy, co Dodelet planuje pozostawić inżynierom zajmującym się ogniwami paliwowymi. Adzic mówi, że pierwszym krokiem w kierunku rozwiązania problemu trwałości materiałów będzie dokładne zbadanie katalizatora, aby lepiej zrozumieć, jak działa.