Ученые России, Китая и Индии работают над созданием дешевых водородных "батареек"

Исследователи ищут замену дорогой платине, используемой в топливных элементах

Ученые из Самары и Москвы совместно с коллегами из Китая и Индии разрабатывают новые материалы для создания дешёвых водородных топливных элементов.

В отличие от обычных батареек такие источники электропитания более эффективны (КПД, в зависимости от типа, может достигать 70-80%) и экологичны - во время выработки электричества из топливного элемента в окружающую среду выделяется лишь вода или водяной пар. Эта технология давно известна и даже получила применение, например, в космической технике и ряде других сфер. Однако массовое использование топливных элементов сдерживается из-за применяемой в них дорогостоящей платины.

"Щелочные мембранные топливные элементы - это сейчас очень актуальная тема. К настоящему моменту накоплен опыт использования таких источников электроэнергии в самолетах, космических аппаратах, на промышленных производствах, в быту. Они эффективны, экологичны, у них большой диапазон рабочих температур, но они очень дорогие, потому что в них используется платина - она наилучший катализатор, восстанавливающий кислород, и сейчас ученые практически во всем мире занимаются поиском более дешевых материалов для катализаторов, чтобы можно было удешевить топливные элементы и сделать их использование более массовым", - рассказала профессор кафедры физической химии и хроматографии Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П.Королёва Анджела Буланова. Под ее руководством работает российская группа в составе международного коллектива исследователей, в который вошли также ученые из Китая и Индии.

Программа исследований рассчитана на три года,  выделен грант РФФИ по линии БРИКС с объемом финансирования до 5 миллионов рублей ежегодно*. Китай в международном консорциуме исследователей представляют ученые Пекинского университета химических технологий, Индию - специалисты Международного центра передовых исследований в области порошковой металлургии и новых материалов. Россия представлена учеными Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П.Королёва, Самарского государственного технического университета и Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН (Москва).

Согласно материалам гранта, китайские ученые отвечают за теоретические вычисления, проведение ряда экспериментов и создание щелочной анионообменной мембраны топливного элемента. Российская группа сосредоточится на разработке высокоэффективных неплатиновых электрокатализаторов и проверке их эксплуатационных свойств. Индийские специалисты изготовят мембранную сборку электродов и изучат ее микроструктуру для оптимизации характеристик топливных элементов.

"В мире существует немало идей по поводу создания неплатиновых катализаторов, - отметила Анджела Буланова. - Наша идея в том, что мы предлагаем делать носитель для катализаторов на основе мезопористых соединений - материалов с микроскопическими порами диаметром от 2 до 4 нанометров. Эти соединения мы сможем допировать, то есть, встраивать при синтезе туда какие-то элементы, которые улучшают каталитические свойства, например, азот. Мы будем встраивать туда также редкоземельные элементы - диспрозий, лантан, тербий, и будем испытывать получаемые катализаторы на специальном оборудовании".

Идеи ученых уже нашли свое отражение в ряде научных работ**. Кроме проведения множества экспериментов и разработки методики производства неплатиновых катализаторов российским ученым также предстоит провести большое количество теоретических расчетов.

"Также будет очень большая, просто огромная теоретическая часть исследований. Нужно будет рассчитать, как в получаемых катализаторах структурируются, распределяются активные центры, на которых, собственно, и идет химическая реакция, и как сделать, чтобы катализатор имел наибольшую плотность этих активных центров. Для этих расчетов планируется задействовать мощности Суперкомпьютерного центра нашего университета", - сказала  Анджела Буланова.

Для справки

Топливные элементы отличаются от всем известных обычных батареек и аккумуляторов тем, что вещества, необходимые для химической реакции, подаются в топливный элемент извне, как бензин в бензобак, а не помещаются внутрь корпуса во время изготовления источника питания - как при производстве батареек и аккумуляторов. В результате батарейку, после того как она разрядилась, приходится выбрасывать, разряженный аккумулятор - заряжать заново, а топливный элемент может работать без перерыва, пока в него снаружи подаются реагенты - водород и кислород.

Источники тока на топливных элементах еще с 60-х годов прошлого века активно используются в космосе и в ряде других сфер. Топливные элементы разрабатывались для советской лунной программы, а также применялись, к примеру, в космических программах "Аполлон", "Спейс шаттл", "Энергия-Буран".

В 80-е годы в Советском Союзе был собран прототип автобуса на топливных элементах. В начале 2000-х годов на "АвтоВАЗе" были созданы экспериментальные образцы автомобилей АНТЭЛ ("Автомобиль На Топливных Элементах"). Они хорошо показали себя на испытаниях, но в серию машины так и не пошли, финансирование проекта было приостановлено. В прошлом году в Москве был представлен новый прототип автомобиля на водородных топливных элементах, разработанный одной из российских компаний на базе Lada Kalina.

В 2014 году началось производство японской модели Toyota Mirai, считающейся первым в мире серийным автомобилем на водородных топливных элементах. В 2018-2019 годах ежегодный объем продаж модели не превышал 2 тысяч экземпляров. В настоящее время автомобили на водородных элементах также выпускают такие производители, как Honda, Hyundai, Mercedes-Benz и другие. В США покупатели машин на топливных элементах получают компенсации от государства за приобретение экологически чистого автомобиля.

* Грант РФФИ на реализацию проекта "Фундаментальные исследования и разработка ключевых материалов в новых высокоэффективных щелочных мембранных топливных элементах" выделен по итогам совместного конкурса на лучшие многосторонние исследовательские проекты по приоритетным направлениям БРИКС, проводимого организациями - участниками Рамочной программы БРИКС в сфере науки, технологий и инноваций.

** Список публикаций по теме:

Shafigulin R.V., Filippova E.O., Shmelev A.A., Bulanova A.V. Mesoporous Silica Doped With Dysprosium and Modified With Nickel: A Highly Efficient And Heterogeneous Catalyst For The Hydrogenation of Benzene, Ethylbenzene and Xylenes. Catalysis Letters. 2019. V. 149. P. 916-928.

Филиппова Е. О., Токранов А.А., Шафигулин Р.В., Буланова А.В. Синтез мезопористого силикагеля, допированного диспрозием и модифицированного никелем, и исследование его селективности в процессе каталитического гидрирования смеси бензола и его производных // Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93. Вып. 5. С.735-741.

Filippova E.O., Shafigulin R.V., Tokranov A.A., Shmelev A.A., Bulanova A.V. Study of adsorptionproperties of synthesized mesoporous silica doped with dysprosium and modified with nickel // J. ChinChem Soc. 2020; V.67, P. 1167-1173 DOI: 10.1002/jccs.201900440

Филиппова Е.О., Шафигулин Р.В., Буланова А.В. Кинетические характеристики катализаторов на основе мезопористого силикагеля, допированного диспрозием и модифицированного Ni, Cu, Ag, в реакциях гидрирования ксилолов // Журнал физической химии. 2020 (принята к печати)

PtCu porous nanowire catalyst synthesized via ultrasound-assisted galvanic replacement for oxygen reduction reaction. Hehuan Cao, Jidong Cao, Fanghui Wang, Shuxian Di, Hong Zhu, Min Pu, Andzhela Bulanova. State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering, Institute of Modern Catalysis, Department of Organic Chemistry, College of Chemistry, Beijing University of Chemical Technology, Beijing100029, P. R. China. (в печати)

***ПРЕСС-РЕЛИЗ Материал публикуется на коммерческих условиях.

Интерфакс  не несет ответственности за содержание  материала.

Товары и услуги подлежат обязательной сертификации.