Профессор Стэнфордского университета Хунцзе Дай разработал безэмиссионное электролитическое устройство, которое расщепляет воду на водород и кислород при комнатной температуре.В 2015 году американские потребители наконец-то смогут приобретать автомобили на топливных элементах Toyota и других производителей.
Несмотря на то, что они рекламируются как автомобили с нулевым уровнем выбросов, большинство автомобилей будут работать на водороде, производимом из природного газа, ископаемого топлива, которое способствует глобальному потеплению.Теперь ученые из Стэнфордского университета разработали недорогое устройство без выбросов, которое использует обычную батарею AAA для производства водорода путем электролиза воды. Батарея пропускает электрический ток через два электрода, которые расщепляют жидкую воду на водород и газообразный кислород. В отличие от других водоразделителей, в которых используются катализаторы из драгоценных металлов, электроды в Стэнфордском устройстве изготовлены из недорогого и широко распространенного никеля и железа.
«Используя никель и железо, которые являются дешевыми материалами, мы смогли сделать электрокатализаторы достаточно активными, чтобы расщеплять воду при комнатной температуре с помощью одной 1,5-вольтовой батареи», — сказал Хунцзе Дай, профессор химии из Стэнфорда. «Это первый раз, когда кто-либо использовал катализаторы из неблагородных металлов для расщепления воды при таком низком напряжении. Это весьма примечательно, потому что обычно для достижения такого напряжения требуются дорогие металлы, такие как платина или иридий».
По словам Дая, помимо производства водорода новый водоразделитель можно использовать для производства газообразного хлора и гидроксида натрия, важных промышленных химикатов. Он и его коллеги описывают новое устройство в исследовании, опубликованном 22 августа в журнале Nature Communications.
Обещание водородаАвтопроизводители давно считают водородный топливный элемент многообещающей альтернативой бензиновому двигателю. Технология топливных элементов — это, по сути, обратное разделение воды. Топливный элемент объединяет накопленный газообразный водород с кислородом из воздуха для производства электроэнергии, которая питает автомобиль.
Единственным побочным продуктом является вода, в отличие от горения бензина, при котором выделяется двуокись углерода, парниковый газ.Ученые из Стэнфорда разработали недорогое устройство, которое использует обычную батарею AAA для разделения воды на кислород и водород. Пузырьки газа образуются электродами из недорогого никеля и железа.
Ранее в этом году Hyundai начала лизинг автомобилей на топливных элементах в Южной Калифорнии. Toyota и Honda начнут продавать автомобили на топливных элементах в 2015 году.
Большинство этих автомобилей будут работать на топливе, производимом на крупных промышленных предприятиях, которые производят водород путем сочетания очень горячего пара и природного газа — энергоемкого процесса, при котором в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ.Разделение воды для получения водорода не требует ископаемого топлива и не выделяет парниковые газы. Но ученым еще предстоит разработать доступный активный разделитель воды с катализаторами, способный работать в промышленных масштабах.«На протяжении десятилетий мы постоянно стремились создать недорогие электрокатализаторы с высокой активностью и длительным сроком службы», — сказал Дай. «Когда мы узнали, что катализатор на основе никеля так же эффективен, как и платина, это стало полной неожиданностью».
Экономия энергии и денегОткрытие сделал аспирант Стэнфордского университета Мин Гун, соавтор исследования. «Мин обнаружил структуру никель-металл / оксид никеля, которая оказывается более активной, чем чистый металлический никель или чистый оксид никеля», — сказал Дай. «Эта новая структура способствует электрокатализу водорода, но мы до сих пор не до конца понимаем науку, лежащую в основе этого».
По словам Гонга, катализатор на основе никеля / оксида никеля значительно снижает напряжение, необходимое для разделения воды, что в конечном итоге может сэкономить производителям водорода миллиарды долларов на затратах на электроэнергию. Его следующая цель — повысить долговечность устройства.
«Электроды довольно стабильны, но со временем они медленно разрушаются», — сказал он. «Текущее устройство, вероятно, будет работать в течение нескольких дней, но предпочтительнее недели или месяцы. Эта цель достижима на основе моих последних результатов».
Исследователи также планируют разработать водоразделитель, работающий на электричестве, производимом за счет солнечной энергии.«Водород — идеальное топливо для питания транспортных средств, зданий и хранения возобновляемой энергии в сети», — сказал Дай. «Мы очень рады, что смогли создать очень активный и недорогой катализатор. Это показывает, что с помощью наноразмерной инженерии материалов мы действительно можем изменить то, как мы производим топливо и потребляем энергию».
Другими авторами исследования являются У Чжоу, Национальная лаборатория Окриджа (соавтор); Минюнь Гуань, Мэн-Чан Линь, Бо Чжан, Ди-Ян Ван и Цзян Ян, Стэнфорд; Мон-Че Цай и Бинг-Джо Ван, Национальный Тайваньский университет науки и технологий; Цзян Чжоу и Юнфэн Ху, Canadian Light Source Inc.; и Стивен Дж. Пенникук, Университет Теннесси.
Видео с описанием эксперимента доступно по адресу: https://www.youtube.com/watch?v=Nh_0cRYebYU.