Ученые разработали методику, повышающую эффективность топливных элементов, использующих вместо метанола водород. Ключ к повышению производительности найден после изменения поверхностной структуры материала.

Тема усовершенствования топливных элементов актуальна уже несколько десятилетий. Промежуточные итоги модификации обнадеживали исследователей, однако по-настоящему плодотворные результаты были достигнуты совсем недавно. Команда технологов и энергетиков из Массачусетского технологического института разработала метод, который может резко увеличить эффективность электродов в топливных элементах, использующих метанол вместо водорода.

Метиловый спирт уже снискал себе славу топлива будущего, которое считается перспективным для использования в портативных устройствах — от телефонов до ноутбуков. Разрабатываемая методика позволит конструировать усовершенствованные метаноловые аккумуляторы, работающие «холодным» способом, то есть без сжигания топлива.

Заинтересованность в производстве топливных элементов, производящих электричество из экологически чистых ресурсов, будь то водород или метанол, обусловлена экологичностью данного вида батарей. Огромное преимущество таких аккумуляторов состоит в отсутствии выбросов CO и угарного газа. Подобные топливные элементы могут заменить не только литий-ионные батареи, но и стать отличной альтернативой для автономного энергообеспечения дома и использования в автомобилях.

Между тем плата за экологичность до недавнего времени была слишком высока: «холодные» способы выработки энергии значительно дороже традиционных. Устранить этот барьер смогла группа ученых из штата Массачусетс под руководством профессора приборостроения Янга Шао-Хорна. Сделать электроды батарей, работающих на метаноле, более экономичными и эффективными разработчики смогли с помощью установки в топливный элемент электродов с платиновым напылением. Несмотря на то что данный металл считается одним из самых дорогостоящих, КПД снабженных платиновыми электродами батарей покрывает все издержки производства.

Ключ к повышению производительности ученые нашли после изменения поверхностной структуры материала. В экспериментах ученые использовали платиновые наночастицы, которые депонировались на поверхности углеродных нанотрубок. Нанеся крошечные зазубрины на верхний слой электрода, эксперты усилили его способность катализировать окисление топлива и таким способом в два раза увеличили производство тока при неизменном количестве топлива.

И исследователи полагают, что это не предел. Благодаря дальнейшему изучению и экспериментам с изменением поверхностных структур можно достичь гораздо более внушительных результатов, увеличив количество получаемого тока в разы. «Мы изначально сосредоточились на развитии активных и стабильных катализаторов, — говорит г-н Шао-Хорн. — Поэтому наша работа стала значительным этапом в выяснении того, как поверхность электрода влияет на его работу в качестве катализатора в метаноловых топливных элементах».

Один из авторов разработки Шон Ву Ли отметил, что до них с платиной работало немало специалистов, однако увеличения эффективности топливных элементов отмечено не было, а достигнутые результаты считались довольно спорными. Новая же работа продемонстрировала, что рост КПД зависел не от размеров платиновых частиц, а от их конфигурации. «Мы обнаружили, что чем больше зазубрин на поверхности платинового покрытия, тем интенсивнее производство тока, — отметил г-н Ли. — Произведя ступенчатое покрытие и увидев его эффективность, мы теперь увеличиваем количество зазубрин, тем самым увеличивая производительную мощность батарей. При этом мы считаем, что КПД прямо пропорционален количеству зазубрин, поэтому, совершенствуя методы нанесения неровностей на платину, можно добиться феноменальных результатов».

Между тем профессор Шао-Хорн полагает, что вся соль неровного покрытия заключается не столько в количестве «ступенек», сколько в структуре краев нанесенных зазубрин. Именно они позволяют получить область, в которой атомы легче создают новые связи. Таким образом, дробление уже имеющегося количества ступенек может компенсировать небольшое число самих зазубрин за счет создания дополнительных активных участков на краях ступенек. Кроме того, разработчики доказали, что подобные структуры достаточно устойчивы даже при многократном использовании. Эта стабильность является основой, опираясь на которую, можно будет развить применимые на практике эффективные топливные элементы, работающие на метаноле.

По материалам www.rbcdaily.ru