Водородная энергетика пошла в нанопрорыв

Водородные топливные элементы считаются будущим мировой энергетики благодаря своей эффективности и экологической безопасности. Большая часть энергии, потребляемой человеком, – это энергия химических связей, запасённая в топливе, но человека больше интересует электрическая энергия, питающая его компьютер, или механическая, перемещающая его по свету. Поэтому энергию, запасённую в топливе, приходится преобразовывать: так, миниатюрные взрывы воздушно-бензиновой смеси своей тепловой энергией толкают поршни двигателя внутреннего сгорания, а сгорающий на электростанциях газ крутит турбины генераторов.

В топливных элементах энергия химической реакции преобразуется в электрическую напрямую, без необходимости сначала преобразовывать её в тепло или механическую работу вращения турбин. Из-за этого КПД топливных элементов существенно выше, чем у тепловых электростанций или двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, топливом здесь служит водород, а значит, основной выхлоп таких систем – просто водяной пар. Ясно, что за топливными элементами – будущее. Водород будет питать двигатели автомобилей, небольшие топливные батареи будут обеспечивать теплом и светом частные домохозяйства, они же будут встроены в портативную электронику.

Однако если бы всё было так просто, топливные элементы уже давно превратились бы в основной источник энергии, сменив статус «перспективной разработки» на место в разнообразных устройствах и машинах в каждом доме. «Перспективные» топливные элементы впервые использовались еще на советской орбитальной станции «Мир», однако были недолговечны и слишком дороги для внедрения в массовое хозяйство.

Проблема в том, что для их эффективной работы нужны катализаторы.

Сейчас огромное количество институтов и частных компаний бьются над увеличением эффективности топливных элементов и снижением их себестоимости. В инновационных решениях нуждаются также и разделяющие электроды твердые электролиты (мембраны), и материалы электродов, которые должны обладать большой коррозионной стойкостью.

В качестве катализаторов в топливных элементах чаще всего применяют платину и её сплавы с не менее драгоценным палладием. Этот материал позволяет значительно облегчить процесс ионизации водорода. В реакции участвуют только атомы, находящиеся на поверхности, поэтому для каталитических целей применяют платину в виде наночастиц (так называемой платиновой черни). Однако в процессе нанесения дорогостоящей платины наиболее распространенным методом аэрографии её потери достаточно велики, что еще более удорожает конечный продукт.

Техасские специалисты во главе с Питером Страссером предлагают использовать сплав платины с кобальтом и медью.

Новый катализатор представляет собой частицы сплава, содержание металла в которых изменяется от поверхности к ядру: поверхность частиц обогащена платиной, а ядро состоит преимущественно из меди и кобальта. Первые испытания этого катализатора показали эффективность, превышающую аналогичный показатель современных катализаторов для топливных элементов в 4–5 раз.

Вдобавок нанокатализатор оказался существенно дешевле.

Для производства катализатора нанесенные на графитовый электрод частицы сплава помещаются в раствор кислоты и подвергаются циклическому воздействию переменного напряжения. Менее благородные металлы, в особенности медь, растворяются с поверхности, оставляя её обогащенной платиной. Ядро же имеет тот же состав, что и исходный сплав.

Более того, образовавшиеся в результате электрохимического травления меди и кобальта пустоты на поверхности частиц приводят не только к обогащению поверхности платиной, но и к значительному увеличению площади поверхности катализатора. Тем не менее, увеличение эффективности катализатора в 4–5 раз по сравнению с чистой платиновой чернью, по мнению Страссера, не может быть объяснено исключительно увеличением площади поверхности.

Компьютерные расчеты показали, что расстояние между атомами платины в обогащенной ей оболочке короче по сравнению с этой дистанцией в чистой платине. Такое «сжатое» состояние фиксируется с помощью обогащенного кобальтом и медью ядра. Сокращенное межатомное расстояние платина–платина, по всей видимости, способствует более легкой адсорбции кислорода. Это же, судя по всему, изменяет электронную структуру оболочки так, что процесс переноса электрона с образованием отрицательно заряженной молекулы кислорода становится значительно упрощенным.

Впрочем, большинству из нас научные споры о том, почему топливный элемент стал таким эффективным, не так уж и важны. Гораздо интереснее, когда водородная энергетика придёт в наши дома и автомобили. Глобальное потепление и «горячие» цены на нефть позволяют надеяться, что «пожить в эту пору прекрасную» доведётся и нам.