Экологичное топливо для беспилотников и машин: ученые из Челябинска превращают химическую реакцию в электричество, используя водород

Владимир Бурмистров и Анна Таскаева

Одном из перспективных технологий в области энергетики является получение электрической энергии при помощи водородных топливных элементов. Эти устройства могут эффективно и экологично обеспечивать энергией все — от смартфона до автомобиля. Ключ к их эффективности — особые материалы внутри элемента. Что же это за материалы и где их можно применять рассказал доктор физико-математических наук, профессор, декан химического факультета Челябинского государственного университета Владимир Бурмистров в программе «Такая наука» на радио «Комсомольская правда-Челябинск» (95,3 FM).

Программа «Такая наука» посвящена научным достижениям южно-уральских учёных. Ведущая — доктор филологических наук, доцент Анна Таскаева.

— Владимир Александрович, что такое протон, протонные проводники и протонная проводимость простыми словами?

— Еще со школы мы знаем, что атом водорода состоит из ядра, содержащего протон, и электрона. Если мы уберем электрон, то останется протон. Другими словами, это ион водорода, положительно заряженный. А протонная проводимость — это направленное движение протона под действием электрического поля.

— По какой причине протоны могут перемещаться в твердых материалах?

— Вопрос звучит просто, но при этом он является фундаментальным, так как требует знаний о состоянии протонов в решетке твердого тела. В 1981 году у меня была защищена кандидатская диссертация по состоянию протонов в поликристаллической полисурьмяной кислоте. За два года до этого мы направили в «Журнал теоретической и экспериментальной физики» статью о протонной проводимости в гидратированном оксиде сурьмы. Но нам пришел отказ. Тогда считалось, что в решетке твердого тела протоны могут находиться только в виде связанных с кислородом группировок (молекул воды, гидроксильных групп), поэтому протонной проводимости быть не может.

Позднее нам удалось провести ряд экспериментов, разработать модель протонной проводимости и опубликовать статьи в ряде журналов: ДАН СССР, Известия АН СССР, J. Solid State Chem. и др. В них мы показали, что протоны в кристаллической решетке образуют с молекулами воды ионы оксония и могут перемещаться по системе водородных связей. Задача была решена, по крайней мере, для нашей системы, то есть для полисурьмяной кислоты. Больше не нужно было доказывать, что такого явления нет, а мы начали уже углубленно изучать свойства протонной проводимости: от чего она зависит и как структура кристаллов влияет на эту проводимость.

— Получается, что до 1979 года о протонной проводимости не говорили и не знали? Или это касается только твердых материалов?

— Протонная проводимость в растворах была давно известна. Об этом свидетельствует электролиз, который как раз и обусловлен тем, что ионы водорода могут двигаться под действием электрического поля. Об исследовании протонной проводимости в твердом теле были опубликованы пионерские работы, в основном, за границей в 70-х годах. Мы шли в ногу со временем, наравне с исследованиями, которые проводились в Соединенных Штатах Америки и Японии.

— Что заставляет протоны перемещаться?

— Тепловое движение. Но когда вы прикладываете разность потенциалов, то есть помещаете образец в электрическое поле, прыжки протонов становятся разновероятными — по полю и против поля. За счет этой разности вероятностей они начинают перемещаться в сторону отрицательно заряженного электрода.

— Я так понимаю, что когда мы говорим о протонах и об их применении в будущем, мы имеем в виду низкотемпературные топливные элементы. Они считаются перспективными для повседневного применения, например, в транспорте.

— Топливные элементы, протонная проводимость и протон-проводящая мембрана работают как в высоко-, так и в средне- и в низкотемпературной области. Все они находят применение.

Если мы говорим о высокотемпературных топливных элементах, то это их использование в теплостанциях. Они как бы «дожигают» тот газ, который остается после сгорания газовой горелки. При использовании топливного элемента мы можем увеличить коэффициент полезного действия (КПД) теплостанции с 40% до 60-70%.

Низкотемпературные топливные элементы хороши тем, что очень мобильны и энергоемки. Высокотемпературные топливные элементы работают при температурах выше 600 °C. В автомобиль такой элемент не поставишь. Низкотемпературные топливные элементы мобильны, так как у них большая удельная электрическая емкость. Они могут запасать большое количество энергии на килограмм веса, их можно использовать не только в транспорте, но и, например, в летательных аппаратах. Беспилотное устройство при такой системе может пролетать до 22-24 часов.

— А что сейчас в беспилотниках?

— Сейчас используют бензиновые двигатели, иногда литиевые аккумуляторы. Важно, что опытные образцы протон-проводящих мембран уже есть. Этим занимается Институт проблем химической физики РАН (г. Черноголовка). Интересные разработки по созданию протон-проводящих мембран ведутся в Институте общей и неорганической химии РАН под руководством академика РАН Андрея Борисовича Ярославцева. В целом, они делают и опытные образцы низкотемпературных топливных элементов, которые устанавливаются на транспорт и испытываются в реальных условиях. В Японии уже продают такие автомобили, но они очень дорогие.

Что касается России, то для того, чтобы эксплуатировать автомобили на топливных элементах, нужно создать специальную инфраструктуру. Во-первых, производство водорода. А где взять водород? Если нужно затрачивать энергию для того, чтобы его получить, тогда в чем выигрыш? Поэтому для получения водорода используют, как правило, возобновляемые источники энергии. В частности, ветряки. Таким способом на Ямале путем электролиза производится большое количество водорода. Его у нас покупает Япония для своего автотранспорта. Они уже сделали сервис: можно заправиться водородом на специальной станции и ездить на таком автомобиле. Но, повторюсь, это пока очень дорого. В России это только первые опытные эксперименты. Надо сказать, что они, в общем-то, успешны. Так что мы не отстаем по получению этих ячеек для топливных элементов.

— А есть ли у современных водородных элементов «ахиллесова пята»? То, что действительно мешает массовому распространению?

— Во-первых, это хранение водорода. Это же взрывоопасный газ. Если он смешивается с кислородом, то может взорваться, поэтому хранение водорода — особая статья. Есть ли выход из положения? Конечно, есть. Если мы возьмём палладий, поместим его в атмосферу водорода, нагреем, а потом охладим, то он поглотит водород как губка. При повторном нагревании водород снова выделится в виде газа. Но палладий — дорогой металл, поэтому сейчас работают над тем, чтобы заменить его другими соединениями. Результаты в целом есть. Значит, водород можно хранить не в баллонах при большом давлении, а просто в твердом теле.

Во-вторых, это электроды. В качестве катализатора используют платину, а платина — это тоже очень дорогой металл. В-третьих, и самое главное, — это мембрана, которая должна быть проводящей, прочной и газонепроницаемой. По существу, мы над этим и работаем. В 2002 году у нас в Челябинском государственном университете сформировалась научная школа, которая успешно решает эту задачу.

— Научная группа под вашим руководством и химический факультет ЧелГУ успешно решает проблемы, связанные с синтезом новых материалов, то есть с синтезом протон-проводящих мембран. Расскажите, пожалуйста, в чём заключается работа?

— Сначала о проблемах. Протон-проводящая мембрана, как показали исследования, зависит от температуры и влажности. Необходимо получить такие протон-проводящие материалы, которые бы работали в очень широком диапазоне температур. Известная мембрана на сегодняшний день — «Нафион» — создана фирмой DuPont. Наш аналог — МФ-4СК. Несмотря на то, что сейчас эти мембраны апробируются в реальных топливных элементах, существует ряд проблем.

Во-первых, эта мембрана работает при высокой влажности воздуха, обеспечивающей большое количество молекул воды в мембране. Во время движения протоны «прыгают» по этим молекулам, а если молекулы воды удаляются из системы, то эти протоны просто «прилипают» к анионам кислорода и перестают двигаться, поэтому проводимость уменьшается. Нужна влажность. Или можно сделать такую мембрану, у которой бы вода «не улетала», и она бы работала при температурах выше 100 °C.

Платина как катализатор в температурном интервале выше 100 °C работает хорошо, но если мы опускаемся до 50-60 °C, то она перестает работать. Активные центры отравляются углекислым газом, и нет обратной связи мембраны и электрода. Получается проблема: с одной стороны, мембрана работает при температуре меньше 100 °C (там, где высокая влажность), а с другой стороны, электрод работает при температуре выше 100 °C, но там мембрана не работает. Нужно создать материал протон-проводящей мембраны, которая бы работала при температуре выше 100 °C. Более того, при низкой температуре вода тоже замерзает, и проводимость исчезает. Надо сделать так, чтобы она не замерзала при низкой температуре.

На эту тему, к слову, была написана диссертация Федора Александровича Ярошенко, сейчас уже доцента ЧелГУ. Проведя исследование полисурьмяной кислоты, мы обнаружили, что протоны не замерзают в соединении до –150 °C и остаются подвижными. Кроме того, протоны и молекулы воды могут удерживаться в системе до 200 °C. Позднее пришла идея сделать композиционный материал, совместив протон-проводящую мембрану из известной МФ-4СК нашей отечественной разработки и наночастиц полисурьмяной кислоты путем введение наночастиц кристаллической полисурьмяной кислоты внутрь полимерной мембраны. Этот композит обладает протонной проводимостью при низких температурах и выше температур 100 °C. По этому вопросу мы выступали с докладами на конференциях, были опубликованы статьи, даны рекомендации по его использованию при изготовлении топливных элементов.

В нашей научной школе в ЧелГУ по данной тематике проводят исследования как преподаватели — кандидаты наук, так и аспиранты, магистры, дипломники. Работаем широким фронтом по разным направлениям. Под руководством Лилии Юрьевны Коваленко ведутся работы по допированию полисурьмяных кислот, ниобиевых систем элементами 4-й и 5-й групп, что позволяет синтезировать новые неорганические наноматериалы для того, чтобы они лучше проводили, лучше удерживали протоны, чтобы их потом внедрить в эти мембраны и улучшить их свойства.

Под руководством Ярошенко идет работа по модифицированию поверхности наночастиц кислотами и оксидами. Это позволяет улучшить свойства материалов. Под руководством Юлии Александровны Лупицкой завершена работа по гранту РНФ (Российского научного фонда. — Прим. ред.), посвященная исследованию фазового состава и морфологии поверхности наночастиц полисурьмяной кислоты.

По нашему направлению защищено семь кандидатских диссертаций, а также три докторские диссертации по близкой тематике, касающейся химии гидратированных оксидов соединений сурьмы.

— Получается, что цель у вас одна — улучшить материал для протон-проводящей мембраны. Несколько научных направлений идут параллельно, развивая при этом разные темы?

— Да, но цель шире — это фундаментальные исследования состояния протонов в твердом теле. Это вопросы рекристаллизации и того, каким образом происходит взаимодействие с поверхностью модифицированного слоя. Здесь кроется фундаментальная наука, а её практический выход — создание мембраны, которая будет обладать большей протонной проводимостью.

— Без фундаментальной науки действительно нет и прикладной. Какой путь проходит новый материал от открытия в вашей лаборатории до возможного применения в реальном топливном элементе?

— Лабораторные топливные элементы мы конструируем сами. Если говорить о промышленном использовании топливных элементов, то здесь уже не научный, а экономический интерес. Кажется, взял и сделал этот топливный элемент (имею в виду коммерческий вариант). Но сколько с этим связано проблем! А инженерных сложностей сколько! Тот же водород подать на ячейку, сделать управляющую систему, которая будет поддерживать давление и температуру, запускать элементы и так далее.

— Тогда вопрос: зачем нам это все нужно?

— Надо сказать, что создание возобновляемых источников энергии входит в Государственную программу «Научно-технологическое развитие РФ», утвержденной Президентом. Несмотря на то, что у нас много газа и нефти, мы не должны стоять на месте. Нужно разрабатывать эти источники, тем более планируется такой мощный проект — перегородить Охотское море, сделать плотину, использовать приливы-отливы и получать электроэнергию. Путем электролиза получать водород в очень большом количестве, стать первой державой по получению водорода. Тогда можно перевести большинство автотранспорта на экологически чистое топливо, так как результатом работы топливного элемента является обычная вода. Экологически чистое и энергетически возобновляемое производство!

К ЧИТАТЕЛЯМ

Стали свидетелем интересного события или происшествия? Сообщите об этом нашим журналистам: +7-904-934-65-77 (Telegram) или kpchel@phkp.ru.

Подпишитесь на нас: ВКонтакте, Одноклассники, Telegram, Дзен.

При использовании материалов издания ссылка на «КП-Челябинск» обязательна.