211service.com
Pigesnių kuro elementų katalizatorius
Naujas geležies pagrindu pagamintas katalizatorius, taip pat platinos pagrindu pagaminti katalizatoriai, pagreitina chemines reakcijas vandenilio kuro elementuose. Šis atradimas gali padėti elektromobiliams skirtus kuro elementus padaryti pigesnius ir praktiškesnius.
Katalizatoriaus receptas: Galutiniam katalizatoriui gaminti naudojama suodė, geležies acetatas ir raudona arba balta užpildo medžiaga.
Kuro elementų tyrėjai ieškojo pigesnių, gausesnių alternatyvų platinai, kuri kainuoja nuo 1000 iki 2000 JAV dolerių už unciją ir kasama beveik vien tik dviejose šalyse: Pietų Afrikoje ir Rusijoje. Jau seniai žinoma, kad vienas daug žadantis katalizatorius, kuriame naudojamos daug pigesnės medžiagos – geležis, azotas ir anglis – skatina būtinas reakcijas, tačiau per lėtai, kad būtų praktiška.
Dabar Kvebeko nacionalinio mokslinio tyrimo instituto (INRS) mokslininkai žymiai padidino šio tipo geležies pagrindu pagamintų katalizatorių našumą. Jų medžiaga sukuria 99 amperus viename kubiniame centimetre esant 0,8 volto įtampai, o tai yra pagrindinis katalizinio aktyvumo matavimas. Tai 35 kartus geriau nei iki šiol geriausias netauriųjų metalų katalizatorius ir artimas Energetikos departamento tikslui dėl kuro elementų katalizatorių: 130 amperų kubiniame centimetre. Jis taip pat atitinka tipiškų platinos katalizatorių veikimą, sakoma Jean-Pol Dodelet , INRS energetikos, medžiagų ir telekomunikacijų profesorius, vadovavęs darbui.
Patobulinimas, aprašytas naujausiame žurnalo numeryje Mokslas , gana stebina, sako Radoslavas Adžičius , vyresnysis chemikas Brookhaven nacionalinėje laboratorijoje Uptone, NY, kuri taip pat kuria kuro elementų katalizatorius. Naujoji medžiaga atitinka prieš penkerius metus nustatytą vandenilio kuro elementų etaloną, kurio, kaip manėme, niekas niekada nepasieks, priduria. Hubertas Gasteigeris MIT kviestinis mechanikos inžinerijos profesorius. Pirmą kartą netauriųjų metalų katalizatorius yra prasmingas.
Pagrindinė INRS tyrėjų įžvalga buvo rasti būdą, kaip padidinti aktyvių katalizinių vietų skaičių medžiagoje – atsiradus daugiau vietų cheminėms reakcijoms, bendras reakcijų greitis medžiagoje didėja. Ankstesniame darbe mokslininkai įrodė, kad kaitinant suodžius (miltelinę anglies formą, panašią į grafitą) iki aukštos temperatūros, esant amoniakui ir geležies acetatui, susidaro vos kelių atomų pločio tarpai. Azoto atomai jungiasi prie priešingų šių mažų tarpelių pusių, o geležies jonas sujungia šiuos atomus, sudarydamas aktyvią katalizės vietą.
Norėdami padidinti šių vietų skaičių, mokslininkai naudojo komerciškai prieinamą anglies formą, kuri jau turi daug panašiai siaurų porų. Šias poras užpildžius azoto ir geležies turinčia medžiaga ir po to mišinį pakaitinus, reakcijos greitis gerokai pagerėjo.
Katalizatorius sukurtas veikti protonų mainų membranos (PEM) kuro elementuose – tokio tipo kuro elementuose, kuriuos mėgsta automobilių gamintojai, nes jis veikia santykinai žemoje temperatūroje ir turi didelį galios tankį – tai yra, palyginti mažas kuro elementas gali pagaminti pakankamai elektros energijos varyti automobilį. PEM kuro elementai naudoja katalizatorius prie dviejų elektrodų. Vienas katalizatorius skaido vandenilį, o kitas skatina reakciją, kuri sujungia protonus ir deguonį, kad susidarytų vanduo. Antrąją reakciją atlikti sunkiau: įprastuose kuro elementuose abiejuose elektroduose naudojama platina, tačiau vandens gamybos pusėje reikia 10 kartų daugiau. Naujasis katalizatorius pakeičia platiną vandens gamybos pusėje, pašalindamas beveik visą platiną kuro elemente.
Neseniai kiti netauriųjų metalų katalizatoriai buvo demonstruojami kito tipo kuro elementuose, vadinamuose šarminiais elementais, tačiau jie gali neveikti rūgštinėje PEM kuro elementų aplinkoje. Tuo pačiu metu daugelis tyrinėtojų randa būdų, kaip sumažinti reikiamą platinos kiekį, o ne visiškai pakeisti medžiagą. Tai gali padaryti kuro elementus per trumpą laiką labiau prieinamą, nors galiausiai, jei kuro elementai bus plačiai naudojami, prireiks netauriųjų metalų katalizatoriaus, sako Adzicas.
Dodeletas mano, kad nors jo grupė išsprendė katalizatoriaus aktyvumo didinimo problemą, liko dar dvi reikšmingos kliūtys, kad tai būtų galima naudoti kuro elementuose. Pirma, reikia pagerinti katalizatoriaus patvarumą. Po 100 valandų bandymo reakcijos greitis sumažėjo per pusę. Antra, kadangi katalizatorius gali veikti tik tiek greitai, kiek tiekiama reagentų, reikia pagerinti deguonies ir protonų transportavimą į medžiagą, ką Dodelet planuoja palikti kuro elementų inžinieriams. Adzicas sako, kad pirmasis žingsnis siekiant spręsti medžiagų patvarumą bus nuodugnus katalizatoriaus tyrimas, siekiant geriau suprasti, kaip jis veikia.