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

 

Колыбель новорожденного кристалла
Колыбель новорожденного кристалла

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Наноструктуры в природе. Крылья ночной бабочки – акустические метаматериалы. Доменный зигзаг: новый поворот в теории микромагнетизма. Новый материал для оптических терагерцовых элементов. Водород в графине. Следопыты сверхбыстрых процессов: определение длительности световой пули. Нобелевская премия 2022.

Наносистемы: физика, химия, математика (2022, Т. 13, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume13/13-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

7-9 октября - Фестиваль НАУКА 0+ в Москве
7-9 октября в Москве будут проходить мероприятия в рамках Всероссийского фестиваля НАУКА 0+ — одного из крупнейших просветительских проектов в области популяризации науки в мире и одного из ключевых событий в рамках Десятилетия науки и технологий.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022
Коллектив авторов
Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022 содержат следующую информацию:
• Подготовка бакалавров на факультете наук о материалах МГУ
• Состав Государственной Экзаменационной Комиссии
• Расписание защит выпускных квалификационных работ бакалавров
• Аннотации квалификационных работ бакалавров

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2022 году
коллектив авторов
24 - 27 мая пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Пятилетка Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!": что было и что может быть в будущем
Е.А.Гудилин , А.А.Семенова
Уже более 15 лет живет и развивается Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в будущее!". За всю историю Олимпиады было предложено много инновационных решений, охват олимпиадой составил более 50 000 участников по всей Российской Федерации и странам ближнего зарубежья. В статье приводятся статистические данные по Олимпиаде и возможные пути ее дальнейшего развития.

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
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.