Учёные Центра компетенций Национальной
технологической инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики» на
базе ФИЦ «Институт катализа СО РАН» повысили стабильность материала для
электродов в щелочных водородных топливных элементах. Они получили материал,
содержащий никель и фосфор, который не боится глубокого окисления. В
перспективе такая разработка может повысить мощность топливных элементов.
Водородный топливный элемент состоит из набора
электрохимических ячеек, в каждой из которых есть пара электродов (катод и
анод), содержащих катализаторы и разделённых тонкой мембраной. В щелочном
топливном элементе на катод подают газообразный кислород, который в ходе
электрохимического восстановления в присутствии воды превращается в
гидроксид-ионы. Они проходят через мембрану к аноду, где взаимодействуют с
газообразным водородом. В результате по цепи между анодом и катодом движутся
электроны, создавая ток, а при взаимодействии гидроксид-ионов и водорода
образуется чистая вода.
В производстве щелочных топливных элементов есть
проблема — необратимое окисление электродов. Чтобы удешевить их, производители
отказываются от платиновых катализаторов и используют никелевые. Они легко
окисляются на воздухе и теряют способность активно превращать водород в воду и
электричество. Такие топливные элементы работают не на полную мощность.
В Водородном центре компетенций НТИ создают и
исследуют различные каталитические материалы для водородной энергетики. Так,
ученые создали никель-фосфорный материал методом
электроосаждения, который исследовали в реакции окисления водорода в модельной
низкотемпературной ячейке. Модельная система позволяет изучать конкретное,
отдельное явление, отсекая лишние процессы, которые присутствуют в ячейке
реального топливного элемента.
«Никель-фосфорные системы в основном
исследовались для электролизеров, как катализаторы, на которых выделяется
водород в ходе разложения воды. В окислении водорода такие системы изучены
слабо. Никелевые катализаторы легко окисляются на воздухе или даже в самих
топливных элементах при определенных условиях. Мы обнаружили, что
никель-фосфорный образец в электрохимической ячейке легко может
восстанавливаться практически до исходного состояния после глубокого окисления.
Чисто никелевый материал окисляется необратимо. Мы заинтересовались этим
эффектом и после детальных исследований выяснили, что на поверхности
полученного никель-фосфорного катализатора быстро образуется фосфатная «шуба» —
оболочка, которая практически моментально защищает и сохраняет свойства
исходного материала. После окисления мы можем легко вернуть систему в исходное
состояние, и она снова будет работать эффективно»,
— рассказывает ведущий автор исследования, младший научный сотрудник ЦК НТИ
«Водород как основа низкоуглеродной экономики» и Института катализа СО
РАН Алексей Кузнецов.
По словам учёного, процесс восстановления
никель-фосфорного катализатора можно сравнить с окислением алюминия. В чистом
виде алюминий бурно реагирует с кислородом или водой. Но на его поверхности
легко и быстро образуется тонкая плёнка оксида, которая хорошо его защищает,
благодаря чему металл можно безопасно использовать.В планах учёных — повысить
активность синтезированного материала в окислении водорода до более высокого
уровня, чтобы он получил развитие в приложении к реальным топливным элементам,
при этом сохранив свои свойства. Возможно, обнаруженный эффект найдет
применение и в других областях, например, для повышения коррозионной
устойчивости материалов, используемых в агрессивных средах.
Алексей Кузнецов отмечает, что эта работа —
небольшая часть из того, чем занимается научно-трудовой коллектив фото- и
электрокатализа ИК СО РАН и ЦК НТИ. Учёные исследуют разные методы создания
электродов и электродных каталитических материалов, изучают комплексные
процессы, протекающие в электрокаталитических системах.
Об исследователе: «Химией я заинтересовался в школе
ещё до того, как она началась у нас по программе, она всегда меня увлекала.
Дома у меня была маленькая химическая лаборатория. Уже тогда я собирал
электролизеры из подручных материалов и под действием электрического тока
изучал разложение водных растворов — получал водород, кислород и другие
химические соединения», — говорит Алексей Кузнецов. Он окончил факультет
естественных наук Новосибирского государственного университета, где преподает
сейчас на кафедре аналитической химии. В Институте катализа СО РАН работает с
2005 года, практически с момента открытия группы электрокатализа.
Источник: Центр НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики».