Поскольку солнечная и ветровая энергия не всегда доступна, она внесет значительный вклад в удовлетворение потребностей в энергии только после того, как будет разработан надежный метод хранения. Один из многообещающих подходов к этой проблеме — хранение в виде водорода. Для этого процесса требуется электролизер, который использует электричество, вырабатываемое солнечной или ветровой энергией, для разделения воды на водород и кислород. Водород служит энергоносителем.
Его можно хранить в резервуарах, а затем преобразовывать обратно в электрическую энергию с помощью топливных элементов. Этот процесс может осуществляться на месте, в местах, где необходима энергия, например, в жилых домах или транспортных средствах на топливных элементах, что обеспечивает мобильность без выбросов CO2.Недорого и эффективноИсследователи из Института Пауля Шеррера PSI разработали новый материал, который действует как катализатор в электролизере и, таким образом, ускоряет расщепление молекул воды: первый шаг в производстве водорода. «В настоящее время на рынке представлены два типа электролизеров: один эффективный, но дорогой, потому что его катализаторы содержат благородные металлы, такие как иридий.
Другие дешевле, но менее эффективны», — объясняет Эмилиана Фаббри, исследователь из Института Пола Шеррера. «Мы хотели разработать эффективный, но менее дорогой катализатор, который работал бы без использования благородных металлов».Изучая эту процедуру, исследователи смогли использовать уже разработанный материал: сложное соединение элементов бария, стронция, кобальта, железа и кислорода — так называемый перовскит. Но они первыми разработали технологию, позволяющую получать его в виде мельчайших наночастиц.
Это форма, необходимая для его эффективного функционирования, поскольку катализатор требует большой площади поверхности, на которой многие реакционные центры способны ускорять электрохимическую реакцию. После того, как отдельные частицы катализатора стали как можно меньше, их соответствующие поверхности объединяются, чтобы создать гораздо большую общую площадь поверхности.Исследователи использовали так называемое устройство для распыления пламени для производства этого нанопорошка: устройство, управляемое Empa, которое пропускает составные части материала через пламя, где они сливаются и быстро затвердевают в мелкие частицы, когда они покидают пламя. «Нам нужно было найти способ работы с устройством, который надежно гарантировал бы отверждение атомов различных элементов в нужной структуре», — подчеркивает Фаббри. «Мы также могли при необходимости изменять содержание кислорода, что позволяло производить различные варианты материалов».
Успешные полевые испытанияИсследователям удалось показать, что эти процедуры работают не только в лаборатории, но и на практике. Этот метод производства обеспечивает получение больших количеств порошка катализатора и может быть легко доступен для промышленного использования. «Мы очень хотели испытать катализатор в полевых условиях. Конечно, у нас есть испытательные установки в PSI, способные исследовать материал, но его ценность в конечном итоге зависит от его пригодности для промышленных электролизеров, которые используются в коммерческих электролизерах», — говорит Фаббри.
Исследователи протестировали катализатор в сотрудничестве с производителем электролизеров в США и смогли показать, что устройство работает более надежно с новым перовскитом, произведенным PSI, чем с обычным катализатором на основе оксида иридия.Обследование в миллисекундах
Исследователи также смогли провести точные эксперименты, которые предоставили точную информацию о том, что происходит с новым материалом, когда он активен. Это включало изучение материала с помощью рентгеновских лучей в швейцарском источнике света SLS от PSI.
Этот объект предоставляет исследователям уникальную измерительную станцию, способную анализировать состояние материала за последовательные промежутки времени всего за 200 миллисекунд. «Это позволяет нам отслеживать изменения в катализаторе во время каталитической реакции: мы можем наблюдать изменения электронных свойств или расположения атомов», — говорит Фаббри. На других предприятиях каждое отдельное измерение занимает около 15 минут, обеспечивая в лучшем случае только усредненное изображение ». Эти измерения также показали, как структуры поверхностей частиц меняются в активном состоянии — части материала становятся аморфными, что означает, что атомы в отдельных областях Неожиданно оказалось, что это делает материал лучшим катализатором.Использование на платформе ESIРазработка технологических решений для энергетического будущего Швейцарии является важным аспектом исследований, проводимых PSI.
С этой целью PSI делает свою экспериментальную платформу ESI (Energy System Integration) доступной для исследований и промышленности, что позволяет тестировать перспективные решения в различных сложных контекстах. Новый катализатор обеспечивает важную основу для разработки нового поколения водных электролизеров.