Разработка новых, более эффективных электрохимических элементов может стать хорошим вариантом для безуглеродного водорода и химического производства наряду с крупномасштабным производством и хранением электроэнергии.
Но сначала ученые должны решить несколько задач, включая то, как сделать клетки более эффективными и экономичными.
Недавно исследовательская группа под руководством Национальной лаборатории Айдахо использовала простой процесс для более плотного связывания материалов в протонных керамических электрохимических элементах, также известных как PCEC, решая загадку, которая ограничивала производительность технологии. Результаты были опубликованы в последнем номере научного журнала Nature. Это первая исследовательская работа под руководством INL, опубликованная в этом журнале почти за 30 лет.
В состав группы входили исследователи из Массачусетского технологического института, Университета штата Нью-Мексико и Университета Небраски в Линкольне.
Подобно тому, как перезаряжаемые батареи используют химию для хранения электричества для последующего использования, PCEC могут преобразовывать избыточное электричество и воду в водород. PCEC также могут работать в обратном направлении, преобразовывая водород в электричество. В технологии используются кристаллические материалы, называемые перовскитами, которые недороги и способны работать в широком диапазоне температур.
Исследователи в США разрабатывают электрохимические элементы в первую очередь для производства водорода, но также и для некоторых других применений. Водород, производимый этими элементами, также может использоваться в качестве топлива для отопления, транспортных средств, химического производства и других применений.
Теоретически PCEC должны работать более эффективно в более широком диапазоне температур, чем аналогичные типы гальванических элементов. Но до сих пор исследователям не удавалось реализовать теоретический потенциал технологии.
«PCEC должны работать хорошо из-за их высокой проводимости и небольшой связанной с ними энергии активации», - сказал Донг Дин, выдающийся штатный инженер и научный сотрудник INL. «Тем не менее, мы обнаружили, что их текущая производительность ниже, чем мы ожидали, и наша команда в INL посвятила себя выяснению причин с 2017 года».
Команда решила разгадать тайну, измерив, насколько хорошо протоны (положительно заряженные атомы водорода) проходят через границу раздела электрод/электролит. Конечно же, проблема заключалась в интерфейсе. В частности, Вэй Ву, исследователь материалов в INL, подозревал, что электрод и электролит не были связаны достаточно прочно.
Динг и его коллеги использовали простую кислотную обработку, чтобы соединить электрод с электролитом, что позволило более эффективно передавать энергию. «Простая кислотная обработка может омолодить поверхность PCEC, чтобы помочь ему достичь максимальной производительности», - сказал Вэньцзюань Биан, научный сотрудник с докторской степенью и основной участник этого проекта.«Этот подход можно легко масштабировать и интегрировать для производства больших ячеек и пакетов»
При тщательном изучении исследователи обнаружили, что обработка кислотой увеличивает площадь контакта между электродом и электролитом, делая поверхность шероховатой почти так же, как гончар делает шероховатость на влажной глине чашки перед тем, как прикрепить к ней электрод. ручка.
Увеличенная площадь поверхности привела к более плотной связи между электродом и электролитом, что позволило обеспечить более эффективный поток атомов водорода. Кроме того, стабильность ячейки значительно улучшилась, особенно в определенных экстремальных условиях.
Этот процесс может открыть двери для многочисленных применений «чистого и зеленого водорода», сказал Ву.
«Высокопроизводительный PCEC позволяет нам снизить рабочую температуру до 350°C», - сказал Дин. «Пониженная рабочая температура позволяет использовать более дешевые материалы для крупномасштабной сборки, включая штабель. Что еще более важно, технология работает в том же температурном диапазоне, что и некоторые важные современные промышленные процессы, включая производство аммиака и восстановление CO2. Соответствие этим температурам ускорит внедрение технологии в существующей отрасли. На самом деле мы ускоряем масштабирование этих ячеек в INL, интегрируя эту технологию в наши производственные процессы».