Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1. Схема ячейки, состоящей из гидроксид-ион проводящей мембраны, анода с никелевым катализатором и катода с катализатором из серебра. Кислород восстанавливается на катоде в присутствии воды с образованием гидроксид-ионов, которые передаются на анод и реагируют с водородом, образуя воду.
Рис.2. Щелочной полимерный электролит, синтезированный и используемый в данной работе.
(А) Структурная единица полимера.
(В) Стерео конфигурация (А), полученная с помощью моделирования методом молекулярной динамики.
(С) Цепь полимера, смоделированная с помощью молекулярной динамики.
Рис.3.
(А) Данные ТРD (Thermal desorption spectroscopy) для атомов кислорода, адсорбированных на никеле, модифицированном хромом (CDN), и просто на никеле, показывающие, что в первом случае происходит ослабление связи Ni-O. Образцы предварительно спекли при температурах ниже 80°C.
(В) Производительность исследуемой ячейки при температуре 60°C. Содержание никеля на аноде составляет 5 мг/см2, серебра на катоде – 1 мг/см2.

Топливные ячейки без платины

Ключевые слова:  катализаторы, топливный элемент, электролит

Опубликовал(а):  Корнейчук Светлана Александровна

14 января 2009

В последние десятилетия устройство топливных ячеек было сильно улучшено благодаря замене электролитических растворов на полимерные электролиты. Топливные ячейки уменьшились в размере и выиграли в мощности. Использование полимерных электролитов полностью исключило возможность утечек и позволило эффективно отделять топливо (например, водород) от окислителя (кислорода) тонкой пластинкой толщиной всего несколько десятков микрон. В настоящее время в качестве электролитов используются кислотные полимеры (в основном нафион), для которых нужен катализатор из благородного металла, что сильно повышает стоимость таких ячеек. Протонообменные мембраны имеют сильнокислую природу, и только благородные металлы относительно устойчивы в таком коррозионном окружении.

Китайские ученые предложили модель топливной ячейки с полимерным электролитом, не нуждающейся в катализаторах из благородных металлов. Для этого в качестве электролита они использовали проводящий полимер (по гидроксид-ионам) – четвертичный аммонийный полисульфонат. Для катализатора взяли никель, модифицированный хромом, и серебро.

Используемый щелочной полимерный электролит имеет ряд преимуществ. При его эксплуатации не возникает карбонизации, губительной для мембраны. Он стабилен при температурах ниже 120°C и поэтому может безопасно использоваться при 100°C. Этот полимер также растворим в определенных растворителях, что позволяет делать из него мембраны определенной толщины и размера, а также располагать их между слоями катализатора. Этот полимер состоит из протяженных гидрофобных сетей, в которых находятся гидрофильные наноразмерные домены. Такая структура мембраны способствует высокой ионной проводимости (>10-2 Сименс/см) и превосходной механической прочности (модуль Юнга составляет 1000 МПа).

Для катализатора на аноде ученые синтезировали наночастицы никеля, модифицированные хромом. Добавка хрома позволила снизить пик десорбции с 260°C для чистого никеля до 130°C. Такой катализатор может быть легко активирован водородом при комнатной температуре. Для катодного катализатора использовали серебро.

Хотя технология еще не оптимизирована до конца, эта ячейка уже демонстрирует неплохую производительность (максимум мощности – 50мВ/см2 при 60°C). Эффективность ячейки не снижалась на протяжении 100 часов.

Ученые надеются, что предложенная ими идея даст толчок развитию нового направления

Работа «Alkaline polymer electrolyte fuel cells completely free from noble metal catalysts» была опубликована в PNAS.


Источник: PNAS



Комментарии
Анод "отжигает" .
Допускаю, что у них, наверно, свой, китайский, ряд напряжений металлов.

P.S. Поскольку работаю с израильскими коллегами по разработке катализаторов для низкотемпературных щелочных ТЭ, могу с полной ответственностью за свои слова сказать, что никель, даже в сплавах с неблагородными металлами, быстро загибается и не даёт хороших токов...
Владимир Владимирович, 15 января 2009 04:05 
А по какому химическому механизму "загибается"?
И будет ли разница по сравнению со статьей, где нет щелочи как таковой, только перенос гидроксида через мебрану нового типа.

Хороший перевод статьи, и здорово, что PNAS!
Окисляется он водой, а водородом при указанных условиях его оксид не восстанавливается.

Китайцам повезло со 100 ч работы элемента только потому, что токи маленькие, следовательно, и воды выделилось мало, чтобы в этой побочной реакции "испортить" поверхность никеля.
Владимир Владимирович, 15 января 2009 08:30 
А можно тогда поподробнее про термодинамику окисления никеля водой в свете ряда напряжений металлов, упомянутого Вами выше. В нейтральной среде протонов 10-7М, и потенциал металла должен быть порядка -0.059x7=-0.4V и ниже в равновесии с 1М солью для растворения. У никеля -0.25V, и запас приличный. Ведь, насколько я понимаю, в нейтральной среде не будет доминирующим образование гидроксида никеля (со стандартным потенциалом порядка -0.72V, который формально неплохо объясняет окисление никеля водой) - это требует щелочной среды!
В.В., как я понимаю, Вы совсем не подразумеваете необходимость существования трёхфазной границы металл-электролит-газ для эффективной работы ТЭ. Посчитайте термодинамику системы никель-вода-амин.

Второе, даже в Ваших размышлениях сквозит то, что авторам не на что надеяться в плане повышения токоотдачи: носителей тока с "гулькин шиш".
Владимир Владимирович, 15 января 2009 16:21 
Посчитайте термодинамику системы никель-вода-амин.
А амин, привязанный к полимеру, должен находиться в контакте с никелем?

Вы совсем не подразумеваете необходимость существования трёхфазной границы
Убедите меня, пожалуйста, цифрами или конкретными аргументами. Потенциалы разве отрицают наличие такой границы?? (А то ведь мой контраргумент тогда может быть потенциал лунной гравитации, как решающий фактор )

носителей тока с "гулькин шиш
Тут трудно не согласиться про данную работу, но как это относится к оспариваемому тезису о "китайском ряде напряжений металлов"??
Да и потом, продемонстрированная мощность не такая уж и смешная для прототипа.
Коллеги, примечание, на всякий случай. Если никель применяется в виде наночастиц, то равновесный потенциал значительно отрицательнее, чем для объемной металлической фазы. И чем меньше размер наночастиц, тем больше различие.
Владимир Владимирович, 18 января 2009 17:51 
Владимир Ефимович,
Нельзя не согласиться, что наночастицы значительно более реакционноспособны (практически не фактор перенапряжение, менее упорядочены атомы на поверхности, итд). Равновесные потенциалы же - термодинамические параметры систем. Поэтому хочу попросить Вас ссылки на работы, где равновесные потенциалы наночастиц были надежно измерены (в частности для разных размеров частиц), чтобы четко понять, где термодинамические, а где кинетические факторы реакционноспособности!
Пастух Евграфович, 19 января 2009 14:38 
С прошедшими праздниками, дорогие коллеги. Особенно горячий привет Вам, Владимир Ефимович!
Брошу свои пять копеек. Щелочной электролит неизбежно на воздухе поглощает СО2 (например, в виде гидрокарбонат аниона). Поэтому, что проводит ток в китайской мембране - большой вопрос
Уточнение к предыдущему комментарию. Прочитал абстракт, воздуха там не было, элемент работал на кислороде. В общем, это еще один топливный элемент для полетов в космос.
Самым неподкупным и квалифицированным рефери в спорах "учёных" мужей является время.
Будем подождать . Народ ведь бросится лопатить этот "клондайк".

Странное дело: вместо исследования хемосорбции водорода на Ni-Cr катализаторе, авторы изучают термодесорбцию кислорода. 1) Может это переход поверхностных форм хрома, типа хромат-хромит? 2) Уголь при комнатной температуре адсорбирует молекулярный кислород и десорбирует его при слабом нагревании или при адсорбции воды. Вывод: уголь способен эффективно активировать водород? Увы, не так.

Алексей, СО2, скорее всего, не погубит мембрану: карбонаты аминов в присутствии воды при нагревании легко распадаются (вспомни про карбонат аммония).
Владимир Владимирович, 22 января 2009 04:22 
Самым неподкупным и квалифицированным рефери в спорах "учёных" мужей является время.
То есть если со временем не появится новый "китайский, ряд напряжений металлов" значит правота авторов над критиками будет подтверждена?

Термодесорбция кислорода демонстрирует наглядное улучшение стабильности анода.
Владимир Ефимович, 28 января 2009 21:23 
Владимир Владимирович, статей, касающихся измерений равновесных потенциалов наночастиц, навскидку не помню. Точно есть упоминания на эту тему и, по-видимому, ссылки на статьи в книге: Наночастицы металлов в полимерах / А.Д. Помогайло, А.С. Розенберг, И.Е. Уфлянд. – М.: Химия, 2000.
Алексей Григорьевич, Вам тоже горячий привет. В ближайшее время напишу Вам.
Владимир Владимирович, 29 января 2009 05:01 
Спасибо на доброй ссылке

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Магнитный цветок
Магнитный цветок

Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в конференции “ГРАФЕН: МОЛЕКУЛА И 2D КРИСТАЛЛ”
Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в конференции “ГРАФЕН: МОЛЕКУЛА И 2D КРИСТАЛЛ” 5-9 августа 2019 года в Новосибирске

I МОСКОВСКАЯ ОСЕННЯЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ПЕРОВСКИТНОЙ ФОТОВОЛЬТАИКЕ
14-15 октября 2019 года состоится школа - конференция молодых ученых - I Московская осенняя международная конференция по перовскитной фотовольтаике (Moscow Autumn Perovskite Photovoltaics International Conference – MAPPIC-2019).

Золото России на Международной Химической Олимпиаде
30 июля в Париже завершилась 51-я Международная химическая олимпиада. Она была рекордной по числу участников - 309 школьников из более, чем 80 стран. Олимпиада прошла под девизом "Двигаем науку вместе" ("Make the science together"). Сборная России на олимпиаде завоевала 4 золотые медали и в медальном зачете поделила 1-2 место с командой Кореи. Победителями стали Михаил Матвеев (Вологда) и три москвича - Даниил Бардонов, Алексей Шишкин и Никита Чернов.

3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве
И.В.Яминский
Материалы лекции проф. МГУ, д.ф.-м.н., генерального директора Центра Перспективных технологий И.В.Яминского "3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве". 3D принтер, сканирующий зондовый микроскоп и фрезерный станок. Что общего между ними? Как конструировать их своими руками? Небольшой экскурс в практические нанотехнологии. Поучительная история о создании сканирующего туннельного микроскопа. От идеи до нобелевской премии за 5 лет. Взгляд в микромир – от атомов и молекул до живых клеток. Как взвесить массу одного атома? Вирусы и бактерии – наши друзья или враги? Медицинские приложения нанотехнологий – нанобиосенсоры для обнаружения биологических агентов.

Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники
В.А.Кецко
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. В сообщении даны материалы лекции д.х.н., в.н.с. ИОНХ РАН В.А.Кецко "Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники".

Лекции и семинары от ФНМ МГУ на Нанограде
Е.А.Гудилин
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. Ниже даны материалы лекций и семинаров представителя ФНМ МГУ проф., д.х.н. Е.А.Гудилина.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.