Топливные элементы считаются одной из наиболее перспективных технологий замены ископаемого топлива в качестве источника энергии во многих отраслях промышленности. Они используют химическую энергию водорода или других видов топлива для чистого и эффективного производства электроэнергии.
Топливные элементы могут работать с широким спектром топлива и сырья и производить энергию для больших систем, таких как коммунальные электростанции.
Они состоят из отрицательного электрода и положительного электрода, расположенных по обе стороны электролита. К отрицательному электроду подается топливо, а к положительному - воздух. Одной из наиболее распространенных форм топливных элементов являются водородные топливные элементы.
Там катализатор на отрицательном электроде разделяет молекулы водорода на протоны и электроны, которые затем идут разными путями к катоду. Электроны проходят через внешнюю цепь, создавая поток электричества.
Однако, хотя водород является очень распространенным химическим элементом во Вселенной, он должен быть получен из веществ, часто природного газа и ископаемого топлива, а также из воды («зеленый водород»), поскольку в природе он встречается только в форме соединения с другими элементами в жидкостях, газах или твердых телах.
Необходимое извлечение делает производство водородных топливных элементов дорогим, а в случае ископаемого топлива оказывает негативное влияние на окружающую среду. Кроме того, водород, используемый в топливных элементах, представляет собой сжатый газ, что создает ряд проблем при хранении и транспортировке.
Были попытки сконструировать топливные элементы и из других материалов, таких как этанол, что может облегчить некоторые проблемы, возникающие в водородных топливных элементах.
Теперь (2022 г.) ученые из Института наноматериалов Клемсона (CNI) и их коллеги-исследователи из Института высшего образования Шри Сатья Саи (SSSIHL) в Индии нашли способ комбинирования куркумина, содержащегося в куркуме, и наночастиц золота для создания электрода, который требуется гораздо меньше энергии для эффективного преобразования этанола в электричество.
Новые топливные элементы
Исследователи сосредоточили свои исследования на аноде топливного элемента, где окисляется этанол или другой источник сырья.
В качестве катализатора использовалось золото. Вместо проводящих полимеров, металлоорганических каркасов или других сложных материалов, которые обычно используются для нанесения золота на поверхность электрода, исследователи выбрали куркумин из-за его структурной уникальности.
Куркумин использовался для украшения наночастиц золота и их стабилизации путем формирования пористой сети вокруг наночастиц. Ученые смогли нанести наночастицы золота куркумина на поверхность электрода при в 100 раз более низком электрическом токе, чем в предыдущих исследованиях.
Они также обнаружили, что без покрытия из куркумина производительность была плохой, потому что наночастицы золота агломерировались из-за уменьшения площади поверхности, подвергшейся химической реакции. Покрытие было необходимо для стабилизации каркаса и создания пористой среды вокруг наночастиц.
Замена дорогой платины в качестве основного компонента электродов топливных элементов уже давно является главным интересом научных исследований.
В 2017 году ученые разработали композиты, состоящие из цинка и кобальта, которые они оба получили из единого цеолит-имидазолатного каркаса, содержащие эквивалентные количества центров металлов цинка и кобальта.
Композиты получали пиролизом прекурсора при 700°С в атмосфере инертного газа как такового и после его смешивания с солью железа и 1,10-фенонтралином в этаноле.
Каталитические испытания реакции восстановления кислорода в электрохимическом элементе показали хорошие результаты для потенциального применения в катализаторах, не содержащих платину, для низкотемпературных топливных элементов.
Разработка топливных элементов на этаноле с использованием золота и куркумы имеет много преимуществ: электроды из этих материалов очень эффективны. Их производство не дорого, поскольку они не состоят из синтетических полимерных подложек и других сложных материалов. Они также являются экологически чистыми.
Кроме того, нанокомпозит золотого куркумина показал превосходную стабильность (около 200 циклов), легкую способность к переносу электронов, высокую каталитическую активность и низкую энергию активации по отношению к электроокислению этанола и метанола в щелочной среде. Его кинетику окисления можно сравнить с кинетикой золотополимерных композитов.
Следующим шагом в исследовании будет масштабирование процесса и сотрудничество с промышленным партнером, который может производить топливные элементы и собирать блоки топливных элементов для реального применения.
Более того, исследование может иметь значение не только для энергетики, но и для других отраслей науки: уникальные свойства электрода могут быть использованы для будущих применений в датчиках, суперконденсаторах и т.п.
Если все пойдет по плану, скоро будет доступен новый тип топливных элементов, который будет способствовать переходу на новые источники энергии.
Смотрите также по этой теме: Тенденции и перспективы водородных топливных элементов для экологически чистого транспорта