Водородные топливные элементы считаются будущим мировой энергетики благодаря своей эффективности и экологической безопасности. Большая часть энергии, потребляемой человеком, — это энергия химических связей, запасённая в топливе, но человека больше интересует электрическая энергия, питающая его компьютер, или механическая, перемещающая его по свету. Поэтому энергию, запасённую в топливе, приходится преобразовывать: так, миниатюрные взрывы воздушно-бензиновой смеси своей тепловой энергией толкают поршни двигателя внутреннего сгорания, а сгорающий на электростанциях газ крутит турбины генераторов.
элеткрохимическая ячейка, в которой происходит процесс окисления водорода кислородом. Отличие этого процесса от обычного горения водорода состоит в том, что он пространственно разделен. По сути своей этот Red/Ox процесс (процесс окисления-восстановления) – есть арифметическая сумма двух полуреакций – полуреакции окисления водорода
H2 = 2H+ + 2 e- (1)
и полуреакции восстановления кислорода
О2 + 2e- = O2- (2)
Конструкция топливного элемента такова, что позволяет проводить эти процессы на двух разных электродах.
Происходит это следующим образом: на анод, покрытый слоем катализатора подается газообразный водород. Катализатор, которым чаще всего является платина, адсорбирует на себе водород, таким образом, позволяет осуществить реакцию диссоциации водорода (1) и реакцию восстановления кислорода (2) при комнатной температуре.
Оба электрода, катод и анод плотно прижимаются к разделяющей их мембране. Катионы, образующиеся на аноде, проникают через мембрану к поверхности катода, покрытого слоем того же катализатора. На нем в результате каталитического процесса образуются анионы O2-. Эти ионы вступают в реакцию с катионами водорода по схеме:
O2- + 4H+ + 2e- = 2H2O
Электроны для этого процесса подаются по внешней цепи от анода, на котором образовались в результате диссоциации водорода, к катоду, где вступают в реакцию восстановления кислорода. При движении по внешней цепи они и питают интересующие нас устройства.
В некоторых конструкциях топливных элементов (как правило, это высокотемпературные источники питания) в качестве разделительной мембраны используется не протон-проводящая пленка полимера, а керамический материал, сквозь объем которого движутся ионы O2-. Таким образом, реакция заканчивается на аноде, а не на катоде. По пути своего следования, электроны могут быть пропущены через любой электроприбор, питая его тем самым электрической энергией.
Однако если бы всё было так просто, топливные элементы уже давно превратились бы в основной источник энергии, сменив статус «перспективной разработки» на место в разнообразных устройствах и машинах в каждом доме. «Перспективные» топливные элементы впервые использовались еще на советской орбитальной станции «Мир», однако были недолговечны и слишком дороги для внедрения в массовое хозяйство.
Проблема в том, что для их эффективной работы нужны катализаторы.
Сейчас огромное количество институтов и частных компаний бьются над увеличением эффективности топливных элементов и снижением их себестоимости. В инновационных решениях нуждаются также и разделяющие электроды твердые электролиты (мембраны), и материалы электродов, которые должны обладать большой коррозионной стойкостью.
В качестве катализаторов в топливных элементах чаще всего применяют платину и её сплавы с не менее драгоценным палладием. Этот материал позволяет значительно облегчить процесс ионизации водорода. В реакции участвуют только атомы, находящиеся на поверхности, поэтому для каталитических целей применяют платину в виде наночастиц (так называемой платиновой черни). Однако в процессе нанесения дорогостоящей платины наиболее распространенным методом аэрографии её потери достаточно велики, что еще более удорожает конечный продукт.
Техасские специалисты во главе с Питером Страссером предлагают использовать сплав платины с кобальтом и медью.
Новый катализатор представляет собой частицы сплава, содержание металла в которых изменяется от поверхности к ядру: поверхность частиц обогащена платиной, а ядро состоит преимущественно из меди и кобальта. Первые испытания этого катализатора показали эффективность, превышающую аналогичный показатель современных катализаторов для топливных элементов в 4–5 раз.
Вдобавок нанокатализатор оказался существенно дешевле.
Для производства катализатора нанесенные на графитовый электрод частицы сплава помещаются в раствор кислоты и подвергаются циклическому воздействию переменного напряжения. Менее благородные металлы, в особенности медь, растворяются с поверхности, оставляя её обогащенной платиной. Ядро же имеет тот же состав, что и исходный сплав.
Более того, образовавшиеся в результате электрохимического травления меди и кобальта пустоты на поверхности частиц приводят не только к обогащению поверхности платиной, но и к значительному увеличению площади поверхности катализатора. Тем не менее, увеличение эффективности катализатора в 4–5 раз по сравнению с чистой платиновой чернью, по мнению Страссера, не может быть объяснено исключительно увеличением площади поверхности.
Компьютерные расчеты показали, что расстояние между атомами платины в обогащенной ей оболочке короче по сравнению с этой дистанцией в чистой платине. Такое «сжатое» состояние фиксируется с помощью обогащенного кобальтом и медью ядра. Сокращенное межатомное расстояние платина--платина, по всей видимости, способствует более легкой адсорбции кислорода. Это же, судя по всему, изменяет электронную структуру оболочки так, что процесс переноса электрона с образованием отрицательно заряженной молекулы кислорода становится значительно упрощенным.
Впрочем, большинству из нас научные споры о том, почему топливный элемент стал таким эффективным, не так уж и важны. Гораздо интереснее, когда водородная энергетика придёт в наши дома и автомобили. Глобальное потепление и «горячие» цены на нефть позволяют надеяться, что «пожить в эту пору прекрасную» доведётся и нам.
