Ученые ПГУ усовершенствовали элементы для водородной энергетики
Ученые подведомственного Минобрнауки России Пензенского государственного университета (ПГУ) работают над усовершенствованием полимерных электролитических мембран (ПЭМ) для водородной энергетики. Они предложили новый способ напыления катализатора на них. Он экономичнее и в своей производительности не уступает аналогам.
В настоящее время во всем мире развивается водородная энергетика. Это связано с сокращением объема потребления нефтепродуктов. Некоторые эксперты считают, что совсем скоро, придерживаясь этой тенденции, станет возможным достичь экологически чистого производства и транспортировки. Многие страны заинтересованы во внедрении водорода как основного инновационного вида топлива. Это связано с тем, что достигается высокая энергетическая эффективность и экологическая чистота источников энергии. При получении такой энергии не страдает окружающая среда, ведь выброс в атмосферу загрязняющих веществ нулевой. К прочим плюсам относятся: бесшумность производства, быстрый запуск и мобильность топливных элементов.
Пензенские исследователи предложили инновационный способ сборки полимерных электролитических мембран для электрохимического генератора. Электрохимический генератор (водородно-кислородный топливный элемент) используется для преобразования водорода в электрическую энергию.
Главный разработчик проекта «Синтез гетерогенных наноструктурированных катализаторов на поверхности полимерных ионообменных мембран», аспирант ПГУ Максим Новичков пояснил, для чего нужны ПЭМ.
«Как правило, современные водородно-кислородные топливные элементы состоят из двух электродов — катода и анода. Их разделяет мембрана — ПЭМ. В исходном виде у нее низкая производительность. Чтобы ее повысить, вводят на ее поверхность катализатор. В ту область, где происходит реакция, — в то место, где водород преобразовывается в электрическую энергию», — рассказал Максим Новичков.
Отметим, в исходном виде у мембран порядка 10% коэффициента полезного действия (КПД), а с катализатором — 50–60%. К примеру, автомобиль на водородном топливе, куда будет установлен элемент с такой мембраной, может проехать в 1,5–2 раза дальше, чем электромобиль.
Наноразмерные катализаторы в настоящее время получают различными способами: физическими и химическими. Они дорогостоящие и не всегда отвечают требуемым функциональным свойствам.
«К примеру, покрытия, полученные химическим методом, имеют низкую прочность. А физическим — имеют малую удельную площадь поверхности. А значит, имеют низкую производительность, несмотря на высокую стоимость таких методов», — добавил Максим Новичков.
К прочим недостаткам относится и несовершенство процесса нанесения такого покрытия на мембрану, при котором может произойти ее повреждение.
Пензенские исследователи смогли обойти эти недостатки и предложили метод формирования наноструктурированных катализаторов на основе платины.
Их комбинированный способ происходит при низкой температуре — низкотемпературный синтез гетерогенного каталитического покрытия. Это позволяет исключить возможность повреждения мембраны.
«На ее поверхность магнетронным распылением (диодный газовый разряд в скрещенных полях) наносим абсорбционные центры из более дешевых металлов, таких как никель — это такой зародышевый слой, чтобы наш катализатор крепко держался. Потом химически осаждаем платину. Это позволяет сделать катализатор, обладающий высокопористой структурой. А значит, способный увеличить площадь поверхности, на которой протекает реакция и, как следствие, вырабатываемый ток», — пояснил Максим Новичков.
Полимерная электролитическая мембрана с таким катализатором будет иметь структуру, препятствующую вымыванию катализатора.
«Простыми словами, катализатор — это материал, позволяющий вырабатывать электрическую энергию из водорода в разы больше. От структуры катализатора зависит срок службы мембраны, а значит, и устройства, в которое она будет встроена. Мы предлагаем способ создания катализатора с высокой активностью и устойчивостью», — добавил исследователь.
В этом году научный коллектив получил «Ректорский грант» на реализацию проектного решения. В планах научного коллектива (Екатерина Печерская — д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационно-измерительная техника и метрология», канд. техн. наук, доцент кафедры «Нано- и микроэлектроника» Сергей Гурин, аспирант ПГУ Максим Новичков) протестировать несколько десятков мембран. А также заявить о себе на конкурсы «Студенческий стартап» и «Старт».