Вчені прагнуть зробити реальністю дешевші паливні елементи

Оскільки світ звертається до екологічно чистих джерел енергії, йому також потрібно з’ясувати, як накопичувати енергію на час, коли не світить сонце і не дме вітер.

Один із провідних претендентів, водневий паливний елемент, щойно отримав великий поштовх завдяки фундаментальним дослідженням, проведеним Національною прискорювальною лабораторією SLAC Міністерства енергетики Стенфордського університету та Дослідницьким інститутом Toyota (TRI), яке нещодавно було переведено на практику в пристрій на паливних елементах завдяки співпраці між Стенфордом та Ізраїльським технологічним інститутом Техніон. Висновки опубліковані в журналі Nature Energy.

«Водневі паливні елементи мають дійсно великий потенціал для накопичення та перетворення енергії, використовуючи водень як альтернативне паливо, скажімо, бензину», — сказала Мікаела Берк Стівенс, науковий співробітник SLAC та спільного центру SUNCAT Стенфордського університету з вивчення інтерфейсів і каталізу. старших авторів дослідження. «Але використовувати паливний елемент все ще досить дорого».

Проблема, сказав Берк Стівенс, полягає в тому, що паливні елементи зазвичай покладаються на каталізатор, наповнений дорогими металами платинової групи (PGM), який прискорює хімічну реакцію, яка змушує систему працювати. Це змусило Берка Стівенса та її колег шукати способи здешевити каталізатор, але внести такі фундаментальні зміни в хімічний склад паливних елементів є складним завданням: вчені часто виявляють, що каталізатор, який працює в їхній маленькій лабораторії, не працює. так добре, коли компанія випробовує це на реальному паливному елементі.

Цього разу дослідники збалансували витрати, частково замінивши МПГ дешевшою альтернативою – сріблом; але справжнім ключем було спростити хімічний рецепт для потрапляння каталізатора на електроди клітини. Науковці зазвичай змішують каталізатор із рідиною, а потім наносять його на сітчастий електрод, але ці рецепти каталізатора не завжди однаково діють у різних лабораторних середовищах із різними інструментами, що ускладнює перенесення роботи в реальні додатки. .

«Вологі хімічні процеси не дуже стійкі до лабораторних умов», — сказав Том Джарамілло, директор компанії SUNCAT, яка уможливила співпрацю.

Щоб розв’язати цю проблему, команда SLAC замість цього використала вакуумну камеру для більш контрольованого осадження свого нового каталізатора на електроди. «Цей високовакуумний інструмент — це метод типу «те, що ти бачиш, те й отримуєш», — сказав Харамілло. «Поки ваша система добре відкалібрована, в принципі, люди можуть її легко відтворити».

Щоб переконатися, що інші могли відтворити їхній підхід і застосувати його безпосередньо до повномасштабних паливних елементів, команда працювала з експертами з Technion, які показали, що метод працює на практичному паливному елементі.

«Цей проект не створювався для проведення випробувань паливних елементів тут, тому нам справді пощастило, що провідний аспірант проекту Стенфордського університету, Хосе Замора Зеледон, налагодив зв’язок із Даріо Декелем та його докторантом Джоном Дугліном у Technion. Вони були створені для тестування справжніх паливних елементів, тому це було справді гарне поєднання ресурсів, щоб об’єднати», — сказав Берк Стівенс.

Разом дві команди виявили, що, замінивши деякі МПГ, які використовувалися в попередніх каталізаторах, на дешевше срібло, вони можуть отримати настільки ж ефективний паливний елемент із набагато нижчою ціною, і тепер, коли вони мають перевірений метод розробки каталізаторів, вони можуть почати тестувати більш амбітні ідеї.

«Ми могли б спробувати повністю відмовитися від МПГ», — сказав Харамілло.

Декель, професор хімічної інженерії та директор енергетичної програми Grand Technion в Technion, був настільки ж схвильований потенціалом партнерства. «Це має великі переваги для дослідження паливних елементів в академії, а також для практичної розробки каталізаторів у промисловості паливних елементів», — сказав він.

Дивлячись вперед, Харамільо сказав, що такі дослідження вирішать, чи зможуть паливні елементи реалізувати свій потенціал. «Паливні елементи справді виглядають захоплюючими та цікавими для важкого транспортування та зберігання чистої енергії, — сказав Харамілло, — але в кінцевому підсумку це зведеться до зниження вартості, у чому й полягає ця спільна робота».