Топливо из батарейки
Прототип расщепителя воды, созданный в Стэнфордском университете и работающий от одной пальчиковой батарейки. Фото: Mark Shwartz / Stanford Precourt Institut for Energy

Прототип расщепителя воды, созданный в Стэнфордском университете и работающий от одной пальчиковой батарейки. Фото: Mark Shwartz / Stanford Precourt Institut for Energy

Американские химики создали карманный расщепитель воды на кислород и водород, работающий от мизинчиковой батарейки

Химики из Стэнфордского университета создали портативное устройство, способное снабжать водородом топливные энергоячейки в портативных устройствах или в экоавтомобилях, расщепляя воду при помощи катализатора из никеля и железа и простой мизинчиковой батарейки. Схема устройства, физические принципы его работы и итоги проверки его первого прототипа представлены в статье в журнале Nature Communications.

«Водород является идеальным топливом для автомобилей, умных приборов в зданиях, он подходит и для хранения возобновляемой энергии, которая в дальнейшем может быть использована в электросети. Мы очень рады, что нам удалось создать катализатор, который одновременно является очень активным и крайне дешевым. Данное открытие показывает, что наноинженерия действительно позволяет по-новому производить топливо», — рассказывает Хун-цзе Дай из Стэнфордского университета (США).

Хун-цзе Дай и сотрудники его химической лаборатории — пионеры в области создания и освоения новых источников энергии и способов ее хранения. К примеру, в 2011 году химики и физики из Стэнфорда вспомнили об одном из первых источников питания, никель-железной батарее Эдисона, и ускорили ее работу в тысячу раз при помощи графена. Это превратило изобретение американского «отца электричества» в сверхэффективный и емкий конденсатор, который можно использовать для быстрого разгона экоавтомобилей и сохранения энергии во время торможения.

Когда Стэнфордские физики экспериментировали с батареей Эдисона, их привлекли необычные электрохимические свойства никеля, потенциально способные помочь ученым найти святой Грааль современной электрохимии — создать особый катализатор, который позволял бы дешево и эффективно расщеплять воду на кислород и водород. Сегодня практически весь водород, который используется в качестве источника энергии в топливных ячейках в автомобилях и ноутбуках, производится путем окисления метана при помощи водяного пара. Во время этой реакции молекулы воды и углеводорода превращаются в так называемый синтез-газ — высокотоксичную и опасную для окружающей среды смесь из водорода и угарного газа.

Все существующие на сегодня альтернативные способы получения водорода, в том числе расщепление воды при помощи света или электрического тока, экономически нерентабельны по разным причинам. Так, классический электролиз воды требует больше энергии, чем окисление метана и очистка синтез-газа от угарного газа. Когда ученые и технологи пытались ускорить разложение воды при помощи соединений редкоземельных металлов, им постоянно приходилось очищать и перерабатывать эти катализаторы, во время чего часть драгоценного вещества безвозвратно теряется. Это делает процесс гидролиза еще более экономически невыгодным.

Авторы статьи — Мин Гун и Хун-цзе Дай — тестируют работу расщепителя воды. Фото: Mark Shwartz / Stanford Precourt Institute for Energy

Авторы статьи — Мин Гун и Хун-цзе Дай — тестируют работу расщепителя воды. Фото: Mark Shwartz / Stanford Precourt Institute for Energy

Проблему нерентабельности разложения воды группе Дая удалось решить при помощи микропленок из никеля, железа и их соединений. В ноябре 2013 года Стэнфордские физики представили первое свое изобретение на базе этих металлов — световой расщепитель воды в виде тонкой пластинки из кремния с наклеенной на него пленкой из никеля толщиной в два нанометра. Это устройство было достаточно долговечным, работая свыше 80 часов без смены катализатора, но при этом оно вырабатывало не так много водорода — около 150 миллилитров.

Первый успех убедил авторов, что они могут создать такой катализатор на базе никеля и железа, который одновременно был бы долговечным и позволял бы расщеплять воду при комнатной температуре, давлении и при низком напряжении и силе тока. Через несколько месяцев экспериментов с пленками и различными наночастицами этих металлов и их соединений, физики из Стэнфорда обнаружили, что эту задачу может решить смесь из микрочастиц оксида никеля и кусочков чистого металла, организованная в некое подобие кубов с выступающими гранями.

«Мой ученик Гун Мин обнаружил, что наноструктуры из металлического никеля и его оксида гораздо активнее взаимодействуют с водой, чем катализаторы из чистого металла или его окисла по-отдельности. Открытая нами архитектура наночастиц благоприятствует извлечению водорода из воды, однако мы до сих пор не до конца понимаем те физические принципы, которые управляют работой этого катализатора», — объясняет Хун-цзе Дай.

Прототип расщепителя из никеля и его оксида начинал действовать даже в том случае, если к нему была подключена всего одна мизинчиковая или пальчиковая батарейка. Как отмечают авторы статьи, расщепление воды при напряжении в 1,5 Вольта ранее считалось невозможным для катализаторов, не содержащих в себе иридий, палладий и другие благородные металлы.

«Электроды в нашем изобретении относительно стабильны с химической и физической точки зрения, однако они все же медленно, но верно, разрушаются во время эксплуатации расщепителя. Текущий прототип устройства может проработать несколько дней, однако нам хотелось бы продлить его жизнь на недели и месяцы. Судя по последним результатам тестов в моей лаборатории, эту цель вполне можно реализовать в ближайшее время», — продолжает Дай, рассказывая о долговечности новинки своей лаборатории пресс-службе Гарварда.

Как считают авторы статьи, их изобретение является первым свидетельством того, что электролиз воды может быть экономически рентабельным. По их мнению, данный катализатор можно использовать для подзарядки топливных ячеек ноутбуков и другой «зеленой» портативной техники, которая сегодня начинает появляться на прилавках магазинов в развитых странах. В будущем, когда гарвардские химики увеличат сроки эксплуатации своего изобретения, его можно будет использовать для заправки экоавтомобилей. Ученые не уверены, успеют ли они создать новую версию катализатора к 2015 году, когда в США начнутся продажи первых автомобилей на топливных ячейках, однако они не сомневаются, что смогут решить эту задачу относительно скоро.

ПРО в Датском королевстве Далее в рубрике ПРО в Датском королевствеВласти Дании приняли решение войти в натовскую систему ЕвроПРО

Комментарии

23 августа 2014, 13:42
Врыт американскую науку всегда искренне уважал, в отличие от американской политики, молодцы химики, правда нефтяники заллобируют их
24 августа 2014, 12:26
Все равно это очень сырая разработка,таких в мире тысячи и только единицы достойны внимания и массового применения.
Если бы ученые мира занимались бы коллективных освоением космоса и развитием новой и дешевой энергетики , может человечество и жило бы в счастливом обществе типа как у Ефремова в "Туманности
Андромеды"... А на деле все друг друга троллят санкциями, воюют, и весь прогресс по сути вытекает из оборонки
24 августа 2014, 22:08
Вот таким страным образом всплыли теоретические труды Петрика, зря его хаяли, сейчас был бы уважаемым человеком
25 августа 2014, 19:46
Просто у нас своего Петрика уже давно раскусили, а умериканцам это только предстоит.)
25 августа 2014, 09:33
Раньше на речки ездили,что бы искупаться,теперь что бы мыть машины,скоро будут на речку приезжать расщепить воду и заправить аккумуляторыулыбка
25 августа 2014, 16:42
Ни-хи - зарядить аккумуляторы, чтоб разложить воду на кислород и водород, а потом водород сжечь в двигателе внутреннего сгорания с КПД 20%. А не проще подключить батарейки к электромотору с КПД 97%?
Данная разработка может удешевить эксплуатацию сварочных аппаратов типа "Плазар", работающих на результатах гидролиза воды или спирта.
25 августа 2014, 19:42
Я хоть и не специалист, но могу с полной уверенностью сказать, что данное устройство однозначно работает в минус (затраты энергии несопоставимы с той энергией, которая вырабатывается). Такую занятную, но совершенно бесполезную муру у нас по пять раз на дню изобретали еще во время Совка юные моделисты-конструкторы.
01 сентября 2014, 04:28
Ну да, конечноулыбка Вода (оксид водорода) - термодинамически стабильное вещество. Для его разложения на водород и кислород надо затратить энергию (Е разложения). Катализатор не меняет термодинамику процесса, он только моюет уменьшить кинетический барьер. Далее, при сжигании водорода происходит образование воды и выделяется энергия (Е сжигания). при 100% кпд Е сжигания=Е разложения. Но поскольку кпд не может быть 100% в принципе, то Е разложения будет всегда больше Е сжигания. Именно поэтому водород является не источником энергии, а энергоносителем (то есть переносчиком энергии в удобной для использования форме)
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
Анализ событий России и мира
Подпишитесь на «Русскую планету» в социальных сетях. Только экспертный взгляд на события
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»