Установка для электролиза BioCat конвертирует в газ излишек электроэнергии с ветряков
Профессор Александр Бондаренко и Якуб Тимошко из Рурского университета (Германия) с коллегами из технического университета Мюнхена и Лейденского университета нашли способ вдвое повысить эффективность электролиза. Созданный ими катализатор сделан из платины, как обычно, но со слоем атомов меди. Оказалось, что модифицированный катализатор освобождает из воды в два раза больше водорода, чем обычный платиновый катализатор без медного покрытия.
Электролиз воды — хорошо известный процесс расщепления воды на водород и кислород. Он до сих пор не применяется в промышленных масштабах, потому что требует слишком большой энергии, то есть убыточен сам по себе. Сегодня в мире только 4% водорода производится с помощью электролиза.
Физики ищут различные способы, как повысить энергоэффективность электролиза, например, применяя новые материалы и даже используя энергию Солнца (фотолиз, см. статью «Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано»). Увеличение эффективности стандартного катализатора в два раза — очень важное достижение.
Эффективность электролиза зависит от того, насколько долго промежуточные продукты реакции задерживаются на поверхности катализатора. Авторы научной работы обнаружили, что на стандартных катализаторах из платины, родия и палладия они задерживаются слишком долго, и если ослабить эту связь, то эффективность реакции повышается при тех же энергозатратах. Они изменили свойства платинового катализатора, нанеся на него слой атомов меди.
Но есть одна хитрость: эффект проявляется, если слой атомов меди нанести под верхним слоем атомов платины, а не поверх его.
Вольтаммограммы для разных типов катализаторов из платины и меди в HClO4
Кроме повышения эффективности вдвое, проявился и побочный эффект: такие катализаторы более устойчивы к коррозии и дольше работают.
«Сейчас водород в основном добывают из ископаемого топлива, при этом выделяется большое количество CO2, — говорит Вольганг Шуманн (Wolfgang Schuhmann), соавтор научной работы. Если мы сможем вместо этого добывать водород электролизом, это станет гигантским шагом к экологичному преобразованию энергии. Например, мы могли бы утилизировать излишки электричества с ветряных станций».
«Кроме того, исследование этой реакции позволяет изучить, как хорошо мы можем проектировать каталитические поверхности точно размещая атомы различных металлов, — добавил профессор Бондаренко. — Это знание пригодится в других каталитических процессах».
Научная статья опубликована 10 марта в журнале Nature Communications (doi:10.1038/ncomms10990).
Комментарии (15)
olgerdovich
13.03.2016 15:03+2«Оказалось, что модифицированный катализатор освобождает из воды в два раза больше водорода, чем обычный платиновый катализатор без медного покрытия»
куда уж больше, чем одна молекула водорода на одну молекулу воды? две молекулы водорода на молекулу воды?
В оригинальном реферате (абстракте) статью говорится лишь про удвоение активности
«Positioning copper atoms into the subsurface layer of platinum weakens the surface binding of adsorbed H-intermediates and provides a twofold activity increase, surpassing the highest specific HER activities reported for acidic media under similar conditions, to the best of our knowledge. „
AngusMetall
14.03.2016 10:44ну раскладывается же не 100% воды, т.е. подали n энергии на обычные электроды, часть молекул разложилось, выделилось m водорода, подали n энергии на модифицированные, выделилось 2m водорода. Как-то так.
superhimik
14.03.2016 10:55+1Не так. То, о чём вы говорите, называется выход по току. Он и так высок. Т.е. если он 90 %, то 180 % он быть не может. В статье идёт речь о снятии так называемых кинетических барьеров, т.е. об увеличении скорости выделения водорода.
eka1939
13.03.2016 15:10В статье указано — «Увеличение эффективности стандартного катализатора в два раза». Вопрос к автору статьи — если есть подборка ссылок по теме — не поделитесь? На работе заспорили на тему водородного генератора для отопления — я высказал мнение. что это очередной развод, так как никакой технически точной информации в интернете(сайты продавцов) не нашел, все из разряда — «греет ого-го как, а электричества берет мал-мала».
olgerdovich
13.03.2016 15:36+2оригинальная статья на английском, на которую в русском изложении приведена ссылка http://www.nature.com/ncomms/2016/160310/ncomms10990/full/ncomms10990.html, находится в открытом доступе.
Беглый гугл вопроса показыват, что это скорее смахивает на фуфло (начиная хотя бы со стилистики изложения вопроса). Непонятно, зачем вместо обогревателя в розетку включать электролизер и ставить на его выходе горелку
Mad__Max
14.03.2016 01:10+3Естетественно развод, как и прочие "супер-эффективные" электрические котлы, которые грееют якобы в несколько раз больше чем потребляют электричества.
Такое возможно только в одном единственном варианте — электрическом тепловом насосе с внешним теплообменников. Который не "производит" тепло сам, а лишь перекачивает его с улицы в помещение.
superhimik
13.03.2016 21:57Слушайте, из 1 моля воды получается 1 моль водорода в теории, больше быть не может. В статье речь идёт о скорости выделения водорода, а не о его выходе!
Mad__Max
14.03.2016 01:06+2Из заголовка статьи можно вообще подумать что вечный двигатель изобрели. Т.к. эффективности выработки водорода электролизом выше 50% достигли уже очень давно (и не в лабораториях, а уже в промышленных установках), то увеличение эффективности в 2 раза означало бы КПД выше 100% (= вечный двигатель).
На деле же речь идет не о КПД / энергетической эффективности, а лишь о скорости/интенсивности протекания реакций электролиза — описанными методами удалось примерно в 2 раза увеличить удельную производительность электролизера на единицу рабочей площади электродов. Естественно с тем же 2х кратным увеличением токов и расхода энергии.
Из плюсов:
- электролизеры можно будет делать более компактными
- уменьшается расход платины при их производстве, т.е. для той же производительности (в кубометрах или кг в час) нужна меньшая площадь покрытых платиной электродов
Ну а влияние на КПД если и есть то не значительное
justhabrauser
14.03.2016 16:03Я один заметил, что в заголовке увеличили скорость, а в первом же абзаце — эффективность?
Mad__Max
14.03.2016 19:52См — мой комментарий чуть выше. Изначально и заголовок был про эффективность. Потом его заменили, ну а в тексте так и осталось.
maxzhurkin
14.03.2016 21:16Fail в первом же предложении статьи (после заголовка, разумеется) (подпись к картинке): современные технологии землян на текущем этапе развития не позволяют преобразовывать энергию в вещество, ни прямо, ни косвенно. Даже если я ошибаюсь в общем, в отношении данного конкретного "преобразования" это так.
MichaelBorisov
15.03.2016 00:43не позволяют преобразовывать энергию в вещество
Почему же не позволяют? Позволяют. Так как антивещество люди научились производить из энергии (хоть и мало) — то значит и вещество тоже, оно идет побочным продуктом. Другое дело, что таким способом производить вещество чрезвычайно затратно и выход очень мал — поэтому никто в здравом уме вещество таким образом не производит. А вот антивещество — вполне. Потому, что его иным способом получить нельзя.
rPman
Я не могу понять, какая, примеру, разница между эффективностью электролиза с помощью дешевых стальных электродов в щелочной среде и использовании платины? Там случайно вопрос не в десятках процентов?
Но банально на сжижение будет тратиться порядка 20% энергии (в идеальном случае само собой, практика еще хуже)… тогда вопрос, а стоит ли экономия на спичках?
olgerdovich
в статье отмечают, что стоит. При электролизе есть проблема перенапряжения — необходимости подачи на электроды бОльшей разности потенциалов, чем формально требуется из энергетического баланса реакции электролиза. Так вот, в этой статье пишут, что снижение рабочего напряжение на 20 мВ при текущих технологиях и стоимости электричества компенсирует стоимость благородных металлов, используемых в производстве тех 4% водорода, которые получают электрохимически (In other words, a 20 mV decrease in the operating voltage of PEM electrolysers corresponds to the price of noble-metal catalysts needed to produce 4% of H2 electrochemically). на текущий момент рабочее напряжение около 2.0 В
Mad__Max
В любом случае стоит. Не знаю точно насколько "платиновые" электроды эффективнее стальных, но даже если всего на 10% — это уже порядка 800 миллионов $ экономии ежегодно в глобальном масштабе — только на стоимости используемой электроэнергии. Не важно какие там еще дальше по цепочки потери идут — если на этой стадии (сам электролиз) 10% выиграли — значит уже до 800 млн $ / год можно сэкономить используя такие электроды вместо обычных.
И это уже сейчас при текущих совсем небольших объемах производства водорода путем электролиза. Которое будет однозначно расти и заметными темпами по мере развития возобновляемых источников энергии (как одна из многих мер для компенсации неравномерности их выработки) и роста популярности "водородных" (на топливных ячейках) автомобилей, которым водород полученных другими методами подходит плохо, т.к. недостаточно чистый. Да и транспортировать по большой сети заправок выработанный на химическом заводе (из угля или газа) водород проблематично — проще вырабатывать на местах прямо на заправочных станциях, а передавать электроэнергию вместо того чтобы баки с водородом по дорогам развозить или трубопроводы к каждой заправке строить.
Ну и 2й важный вопрос помимо эффективности — платиновые электроды очень коррозионно стойкие и служат долго. А стальные довольно быстро разъедает в процессе электролиза, происходит загрязнение электролита, который приходится либо периодически заменять либо постоянно очищать гоняя через какие-то фильтры. Ну и сами электроды тоже периодически приходится заменять на новые когда коррозия заходит слишком далеко.
В результате почти все промышленные образцы используют электроды с покрытиями из платины (или иногда иридия или палладия вместо платины). А простые стальные — удел любителей собирающих электролизер "на коленке" и не предполагающие длительных непрерывных условий работы.
P.S.
Расход платины небольшой. Это естественно никакие не платиновые электроды как иногда пишут журналисты, а лишь с покрытием (напылением) платины на поверхности. В статье приведен примерный удельный ее расход для этих целей — 1 миллиграмм на кв.см. поверхности обоих электродов суммарно. Т.е. по 0.5 мг/см2 или 5 г/м2