211service.com
Wydajne ogniwa paliwowe z etanolem
Przenośne ogniwa paliwowe zasilane bezpośrednio etanolem mogą wkrótce stać się praktyczne dzięki nowemu katalizatorowi, który rozbija silne wiązanie w sercu cząsteczek etanolu, uwalniając elektrony i generując energię elektryczną. Takie ogniwa paliwowe mogłyby zastąpić baterie w laptopach i telefonach komórkowych, a docelowo mogłyby zostać wykorzystane do zasilania pojazdów elektrycznych.
Moc nano: Nanocząsteczki tlenku cyny (powyżej) stanowią podstawę nowego katalizatora do ogniw paliwowych na etanol.
Ogniwa paliwowe na etanol mogą być znacznie bardziej wydajne niż konwencjonalne silniki napędzane etanolem . Mogą być również bardziej praktyczne niż wodorowe ogniwa paliwowe, ponieważ etanol jest łatwiejszy do przechowywania i transportu niż wodór. Ale naukowcy nie byli w stanie stworzyć dobrego katalizatora do utleniania etanolu, aby umożliwić takie ogniwa paliwowe.
Wcześniejsze katalizatory przekształcały etanol w kwas octowy i aldehyd octowy, w procesie, który uwalnia zaledwie kilka elektronów na cząsteczkę etanolu, a tym samym generuje niskie prądy. Dalsze rozkładanie cząsteczek etanolu w celu wytworzenia dwutlenku węgla uwolniłoby znacznie więcej elektronów (w sumie 12 na cząsteczkę etanolu) i wygenerowałoby wyższe prądy, ale wymaga to zerwania silnego wiązania między dwoma atomami węgla. Aby zerwać to wiązanie, naukowcy musieli zastosować wysokie napięcia, czyniąc proces nieefektywnym: prawie całe napięcie wytwarzane przez utlenianie etanolu zostało wykorzystane do podtrzymania reakcji, zmniejszając moc netto do strużki, mówi Manos Mavrikakis, profesor chemii i inżynieria biologiczna na Uniwersytecie Wisconsin-Madison.
Nowy katalizator, opracowany przez naukowców z Brookhaven National Laboratory, rozbija wiązania węglowe bez wysokiego napięcia, wydajnie uwalniając wystarczającą ilość elektronów, aby wytworzyć prąd elektryczny 100 razy większy niż ten wytwarzany z innymi katalizatorami. Kolejnym krokiem jest włączenie katalizatora do ogniwa paliwowego, tak aby jego działanie można było porównać z innymi katalizatorami w ogniwach paliwowych, mówi Brian Pivovar, naukowiec z National Renewable Energy Laboratory w Golden, CO, który nie był zaangażowanych w badania.
We wstępnych testach poza ogniwem paliwowym katalizator skutecznie wytwarzał prąd o natężeniu 7,5 miliamperów na centymetr kwadratowy. Radoslav Adzic , starszy chemik w Brookhaven National Laboratory, który kierował pracami, mówi, że jest prawie pewien, że katalizator, raz wbudowany w ogniwo paliwowe, będzie wytwarzał prądy elektryczne w zakresie setek miliamperów na centymetr kwadratowy. Pivovar twierdzi, że szacunki wydają się rozsądne. Ten poziom prądu pomnożony przez przewidywane napięcie wytwarzane przez ogniwo sprawi, że ogniwa paliwowe z etanolem znajdą się w tym samym zakresie, co ogniwa paliwowe zasilane metanolem, wytwarzając wystarczającą moc dla przenośnej elektroniki. Etanol jest lepszy od metanolu pod kilkoma względami: magazynuje więcej energii, jest mniej toksyczny i łatwiej go wytworzyć ze źródeł odnawialnych. Aby zasilać pojazdy i konkurować z wydajnością wodorowych ogniw paliwowych, katalizator i ogniwo paliwowe musiałyby zostać ulepszone. Prądy musiałyby znacznie przekraczać 1000 miliamperów na centymetr kwadratowy, mówi Andy śledź , profesor inżynierii chemicznej w Colorado School of Mines w Golden, Kolorado.
Aby wytworzyć katalizator, Adzic umieścił maleńkie skupiska platyny i rodu na nanocząsteczkach tlenku cyny. We wcześniejszych badaniach wykazano, że rod zrywa wiązania między atomami węgla, ale tylko po odparowaniu w wysokich temperaturach w ultrawysokiej próżni. Połączenie rodu z tlenkiem cyny umożliwiło zerwanie tych wiązań w postaci stałej i przy stosunkowo niskich temperaturach wymaganych w przypadku przenośnych ogniw paliwowych. Platyna odgrywa kluczową rolę w produkcji protonów i elektronów z atomów wodoru w etanolu.
Przed komercjalizacją katalizatora w ogniwach paliwowych na etanol pozostają poważne wyzwania. Oprócz stawienia czoła wyzwaniom związanym z włączeniem go do ogniw paliwowych i zaprojektowaniem ich w celu wydajnej produkcji energii elektrycznej przy wysokich prądach, naukowcy będą musieli znaleźć sposoby na obniżenie kosztów. Rod jest najdroższym metalem szlachetnym – jest nawet droższy niż platyna – więc albo trzeba będzie go zastąpić innym pierwiastkiem, albo opracować techniki, aby zmniejszyć wymaganą ilość rodu.
Jednak nowy katalizator jest znaczącym ulepszeniem w stosunku do poprzednich prób. Zerwanie wiązania węgiel-węgiel w niskich temperaturach jest niezwykle trudnym problemem, mówi Herring. Fakt, że [Adzic] zrywa tę więź, jest dość ekscytujący. Dodaje jednak, że to tylko jeden krok na drodze do tego marzenia o bezpośrednim ogniwie paliwowym na etanol.