Новая конструкция топливных элементов питается от нанокристаллов, обернутых в графен

14 марта
Новая конструкция топливных элементов питается от нанокристаллов, обернутых в графен

Водород является самым легким и наиболее обильным элементом на Земле и в нашей Вселенной. Так что это должно быть большим сюрпризом, что ученые преследуют водород в качестве чистого, безуглеродного, практически безграничного источника энергии для автомобилей и ряда других применений, от переносных генераторов до телекоммуникационных башен - с водой в качестве единственного побочного продукта.

В то время как остаются научные проблемы для создания источников энергии, основанных на использовании водорода, более конкурентоспособными с существующими автомобильными системами и другими энергетическими технологиями, исследователи из департамента энергетики Национальной лаборатории Лоренса Беркли (Berkeley Lab) разработали новый рецепт материалов для батареи на водородных топливных элементах, которые окружаются водородпоглащающими нанокристаллами магния с графеновыми листами.

Графен защищает нанокристаллы от кислорода, влаги и загрязнений, в то время как крошечные, естественные отверстия позволяют меньшим молекулам водорода проходить через него. Этот процесс фильтрации преодолевает общие проблемы снижения производительности гидрида металлов для хранения водорода.

Эти графеновые инкапсулированные кристаллы магния выступают в качестве "губок" для водорода, которые предлагают очень компактный и безопасный способ захватывать и хранить водород. Нанокристаллы также позволяют быструю заправку топливом и уменьшают общий размер "цистерны".

Среди материалов на основе гибридов металлов для хранения водорода для применения в топливных элементах транспортных средств, наши материалы имеют хорошие показатели с точки зрения пропускной способности, обратимости, кинетики и стабильности, - сказал Ын Сон Чо, научный сотрудник Лаборатории Беркли и ведущий автор исследования, связанного с новой формулой топливных элементов.

В двигателе транспортного средства на водородном топливе с использованием этих материалов, известных как "гидрид металла" (водород, связанный с металлом), газообразный водород, который закачивают в транспортное средство, будет химически поглощен порошком из нанокристаллов магния и обезврежен при низких давлениях.

Джефф Урбан из Лаборатории Беркли сказал:

Эта работа предполагает возможность практического хранения водорода и использования в будущем. Я считаю, что эти материалы представляют собой применимый подход к стабилизации химически активных материалов, в то же время обуздывая их уникальную деятельность - понятия, которые могут иметь широкие приложения для батарей, катализа и энергетических материалов.

Водород-топливные элементы транспортных средств до сих пор не стали главными среди продаж автомобилей, хотя и несколько крупных производителей автомобилей, включая Toyota, Honda и General Motors, инвестировали в разработку автомобильных водородных топливных элементов.

Действительно, Toyota выпустила модель небольшого производства под названием Mirai, который использует сжатый-водородных резервуар, в прошлом году в США.

Потенциальное преимущество для водородных топливных элементов, в дополнение к их уменьшенному воздействию на окружающую среду по сравнению со стандартным топливом, является высокая удельная энергия водорода, что означает, что водородные топливные элементы могут потенциально занимать меньший вес, чем другие системы батарей и источники топлива, при этом обеспечивая больше электроэнергии.

Мера емкости накопления энергии на массу водородных топливных элементов, известная как "гравиметрическая плотность энергии," примерно в три раза больше, чем у бензина. Урбан отметил, что это важное свойство, и если его эффективно использовать, оно может расширить общий диапазон езды транспортных средств на основе водорода, а также продлить время между заправкой для многих других применений.

Чо сказал, и другие приложения могут лучше всего пододйти для водородных топливных элементов в краткосрочной перспективе, таких как стационарные источники питания, вилочные погрузчики, воздушные транспортные средства, портативные источники питания, такие как зарядные устройства для портативных батарей, портативное освещение, водоснабжение и канализация, насосы и аварийные службы оборудования.

Чо говорит, что проблемой для хранения гидрида металла была относительно медленная скорость в принятии (абсорбции) и выдаче (десорбции) водорода во время езды. В топливных элементах отдельные химические реакции с участием водорода и кислорода производят поток электронов, которые направляются в качестве электрического тока, создавая воду в качестве побочного продукта.

Миниатюрный размер графеновых инкапсулированных нанокристаллов, созданных в Лаборатории Беркли, имеет только около 3-4 нанометров, или миллиардная метра, является ключевым в быстром захвате и выделении водорода в новых материалах для топливных элементов.

Другой ключ - это защита магния от воздействия воздуха, которая делает его непригодным для использования для топливного элемента.

Исследователи обнаружили, простой, масштабируемой и экономически эффективный метод перемешивает листы графена и нанокристаллы оксида магния в том же пакете. Позже они изучали структуру нанокристаллов покрытия в использованием рентгеновского излучения в Лаборатории Беркли.

Исследования рентгенов показали, что газообразный водород взаимодействует со смесью топливного элемента нанокристаллов магния с образованием более устойчивой молекулы, которую называют гидрид магния.

Он стабилен в воздухе, что очень важно,- сказал Чо.

Следующие шаги в исследовании будут сосредоточены на использовании различных типов катализаторов, которые могут улучшить скорость и эффективность химических реакций, для дальнейшего улучшения конверсии топливного элемента в электрический ток.

Источник

Просмотров: 423