Чтобы сделать водородные топливные элементы жизнеспособным источником энергии для будущего, материаловеды должны найти способ интегрировать эту технологию с графеном. До сих пор несколько препятствий мешали этому союзу, но новое исследование могло бы изменить это.

Мир в настоящее время сталкивается с огромной энергетической дилеммой; в то время как спрос на источники энергии и топливо растет, наше осознание того ущерба, который эти требования наносят окружающей среде, растет, и наше время действовать в обратном направлении сокращается. Это создает огромную потребность в источнике топлива, который является одновременно эффективным и чистым.

Одним из устройств, предложенных для такой роли, является водородный топливный элемент с графеном в качестве ключевого компонента. Исследования, опубликованные в журнале Nanoscale обещают устранить некоторые контрольно-пропускные пункты, которые до сих пор препятствовали развитию этой чистой, нетоксичной, возобновляемой технологии, открывая, таким образом, водородные топливные элементы в качестве потенциальной экологически чистой энергии. прорыв, достижение, открытие.

В настоящий момент, по оценкам Министерства энергетики США, стоимость энергии, вырабатываемой водородными топливными элементами, составляет около 61 доллара США за киловатт. Конечная цель – снизить это до 30 долларов за киловатт. Расширение производства наночастиц с графеновым покрытием, предложенное в статье, может существенно помочь в этом поиске.

Выводы команды могут также распространиться за пределы области топливных элементов, что позволяет использовать их в некоторых захватывающих технологических приложениях.

Решение проблем, сдерживающих использование водородных топливных элементов на основе графена

Водородные топливные элементы представляют собой метод преобразования химической энергии в электрическую энергию только с одним побочным продуктом – водой. Как таковые они не только чистые и возобновляемые, но и нетоксичные. Такие топливные элементы полагаются на функционирующую мембрану из полимерного электролита (PEM) – барьер, который может одновременно пропускать протоны, отдельные газы и электрически изолировать электроды топливного элемента.

Из материалов, предложенных для создания такой мембраны, называемых материалом подложки электрода, графен лидирует. Этот удивительный материал – листы углеродистых аллотропов толщиной в атом, тщательно вырезанные из графита, – устойчив к коррозии, обладает высокой проводимостью и большой площадью поверхности. Фактор в этом, высокая устойчивость к кислотным условиям и его невероятно легкий вес и комбинация графен / топливный элемент кажутся подобными сделанным на небесах.

Но все еще существуют серьезные проблемы, стоящие на пути широкого распространения технологии водородных топливных элементов на основе графена. Электроды на основе графена могут страдать от высоких концентраций дефектов, возникающих из-за неоднородного покрытия наночастиц, которые могут отрицательно влиять на рабочие характеристики. Эта проблема только усугубляется в течение жизненного цикла клетки, и наночастицы снимаются с графена.

Есть и другая, довольно значительная проблема; Производство графена трудно «увеличить» до уровня промышленного уровня, необходимого для того, чтобы сделать такие топливные элементы главной силой на энергетическом рынке. Это означает, что, несмотря на то, что графен относительно распространен и его легко получить из графита, топливные элементы, которые его используют, не дешевы в производстве.

Исследование, созданное Гьеном Мин Ангелом, сотрудником Лаборатории электрохимических инноваций, Департамент химической инженерии, Университетский колледж Лондона, и его коллегами, решает эти проблемы.

Масштабируемость и стабильность

Решение, которое выдвинула команда, заключается в создании наночастиц платины, покрытых слоями графена. Предполагается, что такие частицы имеют оптимальные размеры для равномерного распределения по поверхности. Таким образом, они могут быть использованы для покрытия электрода таким образом, что снижение эффективности практически исключено.

Это приводит к высокой каталитической активности, поскольку долговечность графена обеспечивает замечательную стабильность в течение всего срока службы 30 000 циклов зарядки / перезарядки.

Исследование группы представляет собой первый случай, когда наночастицы платины с однородным масштабом были выращены на подложке из графена с низким уровнем дефектов. Команда считает, что метод, который они использовали, в сочетании с синтезом дисперсии заряженного графена с использованием так называемого метода «металл-аммиак» делает их технологию масштабируемой.

Многообещающе, что в проведенных до сих пор испытаниях их продвижение, похоже, соответствует как производительности, так и механизму высокооптимизированных коммерческих платиновых / углеродных катализаторов, хотя фактически превосходит их по стабильности.

Что делает этот метод синтеза более интересным, так это тот факт, что команда верит, что его можно использовать для распределения различных металлов по структуре графена. С этими разными металлами появляется возможность адаптации к различным применениям. Это может распространяться не только на топливные элементы и каталитические системы, но и на такие устройства, как датчики и суперконденсаторы.

Источники и дополнительные материалы

Gyen Ming A. Angel, Normalina Mansor, Rhodri Jervis и др., [2020]«Реализация электрохимической стабильности графена: масштабируемый синтез сверхпрочного платинового катализатора для реакции восстановления кислорода», Nanoscale , [ https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/NR/D0NR03326J#!divAbstract ]

«Топливные элементы», Институт физики, https://www.iop.org/resources/topic/archive/fuel/index.html#gref