Исследовательская группа из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) заявила, что ей удалось получить дешевый, эффективный и долговечный катализатор без использования дорогостоящей платины для топливных электрохимических элементов, работающих на водородно-кислородном цикле. Пока это самые экологически дружественные приспособления, обеспечивающие прямое преобразование энергии химических связей топлива в электрическую.
Единственным продуктом реакции, протекающей в элементах такого типа, кроме, конечно, нужных в хозяйстве свободных электронов, является вода.
Подробности открытия, обещающего сделать топливные элементы питания более доступными для массового потребителя, опубликованы в последнем номере журнала Science.
Необходимость использование платины в конструкции водородного топливного элемента продиктована физикой происходящих в нем процессов. Главная задача электрохимического топливного элемента — направить свободные электроны, возникающие в процессе окислительно-восстановительной реакции, сразу на совершение работы, минуя стадию интенсивного горения, как это происходит в классических тепловых генераторах энергии, работающих на окислении углерода.
Результатом такого «теплового отсекания» должно стать высокоэффективное «холодное горение» (в данном случае горение водорода) при КПД, превышающем КПД тепловых генераторов, где большое количество энергии теряется на промежуточных стадиях нагрева рабочего тела, совершении механической работы (раскрутка турбины) или просто рассеивается в окружающей среде.
В топливном элементе выполнение нетривиальной задачи по достижению «холодного горения» происходит в три стадии.
На аноде такого элемента, покрытом слоем катализатора, топливо (в нашем случае — водород) интенсивно диссоциирует, то есть, отдав электроны, которые поступают во внешнюю цепь для совершения работы, распадается на ионы (протоны). На другом конце цепи электроны подходят к катоду, где их, тоже посредством катализатора, присоединяет окислитель — кислород. Через слой ионопроводящего электролита ионы устремляются от анода к катоду, где воссоединяются с электронами и атомами водорода — образуется вода.
Как видим, эффективность работы топливного элемента зависит от двух ключевых элементов — электродов с функцией катализаторов и электролита.
На снижение их стоимости, повышение эффективности и расширение окна рабочих режимов брошены сейчас все основные силы разработчиков. Так, жидкий электролит уже удалось заменить на специальные полимерные мембраны, умеющие пропускать только ионы, позволив таким образом уменьшить размеры элемента до рыночно приемлемых в случае их использования в мобильных гаджетах. В идеале батарея из таких элементов должна укладываться в размеры спичечного коробка со сменяемым топливным картриджем или даже меньше.
Что касается электродов-катализаторов, на которых сосредоточили свою инженерную мысль сотрудники Лос-Аламосской лаборатории, то здесь главным камнем преткновения оставалась платина.
Проблемой, собственно, был не сам металл, проявляющий замечательно стабильные и эффективные каталитические качества в подходящих температурных и влажностных режимах, а его цена, доходящая до двух тысяч долларов за унцию (примерно 28 г), что делало водородные чудо-элементы совсем не народным удовольствием. К тому же мировые запасы платины конечны, и хватит их в случае широкого использования ТЭ максимум на 40—50 лет.
Перебрав несколько альтернативных вариантов, американские химики нашли-таки бесплатиновый рецепт катализатора — им оказалась сложносоставная композиция из кобальта, углерода и железа, получаемая по строго определенной технологии при участии полианилина — полимера, обладающего электронной проводимостью за счет специфических азотных связей между кольцами.
Дешевый, демократичный катализатор на деле показал себя совсем не хуже платинового. Более того: финальная окислительная реакция с образованием воды шла с его участием по наиболее полному окислительному циклу без побочного выхода перекиси водорода, для нежной полимерной мембраны крайне нежелательной. Вторым приятным бонусом стало устойчивое поведение катализатора в циклах включения и выключения тока, что тоже очень важно, учитывая режимы, в которых топливные элементы и должны работать, снабжая энергией всякого рода мобильные девайсы.
В общем, чудо-катализатор оказался столь хорош, что авторы статьи, уверенные в светлом будущем своего создания и потенциально огромной цене вопроса, тут же его запатентовали.
Победные реляции, однако, несколько омрачает факт, что бесплатиновый катализатор найден пока лишь для одного из двух электродов топливного элемента — того, который запускает финальную окислительную реакцию с образованием воды. Но и тут не обошлось без бонуса: из-за специфики протекания реакции на этом электроде платины для его изготовления требуется намного больше, чем для разложения водорода на протоны, протекающего более быстро. Поэтому и экономия от замены платины на дешевые компоненты окажется более значительной.
Статью авторы резюмируют на оптимистической ноте: дальнейшее изучение кобальт-железно-углеродного катализатора, принцип работы которого ясен еще не до конца, позволит придумать эффективный бесплатиновый сплав и для второго электрода. Нет никаких сомнений, что к тому моменту подешевеют и пока что довольно дорогие протон-полимерные мембраны, а мы наконец получим дешевую батарейку, работающую на самом распространенном во Вселенной веществе — водороде.