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

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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
4. 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)