Тред №578735

Цитата: москвич от 10.06.2013 16:19:53
Совместная группа ученых из США и Республики Корея открыли новый катализатор для реакций по восстановлению кислорода на основе частиц графена. Данная разработка позволит повысить эффективность топливных элементов и заменить графеновым катализатором ранее использовавшуюся для этих целей платину.

Топливные элементы вырабатывают электрический ток с помощью водорода, который является экологически чистым топливом. Не исключено, что в будущем ими оснастят транспортные средства — автомобили, самолеты и т. д. Необходимость использования платины в конструкциях элементов делает их довольно дорогостоящими.
В результате эксперимента выяснилось, что катализатор нового типа отличается большей стабильностью и успешно противостоит окиси углерода и метанолу, образующихся в процессе реакции. Получают катализатор путем обработки графита с добавлением молекул газа, которые впоследствии и связывают кислород.

Цитата: москвич от 10.06.2013 16:19:53

 

Учёные, оказались, ну очень скромные, не заметив как из водорода или кислорода получили аж углерод, а это не что иное как трансмутация элементов при земных условиях и без ядерного реактора или ускорителя. Срочно нужно писать в Нобелевский комитет.

• +0.06 / 3

Цитата: ДядяВася от 10.06.2013 23:17:05
. Срочно нужно писать в Нобелевский комитет.

Цитата: ДядяВася от 10.06.2013 23:17:05

 

Ага, журналистам, за достижения в лингвистике:

Цитатамосквич, pronedra.ru
"В результате эксперимента выяснилось, что катализатор нового типа отличается большей стабильностью и успешно противостоит окиси углерода и метанолу, образующихся в процессе реакции. Получают катализатор путем обработки графита с добавлением молекул газа, которые впоследствии и связывают кислород."

т.е. канализаторы противостояли  этанолу.
Этанол победил..

Расшифровка:
Дробили графит на однослойные графеновые наночастицы в шаровой мельнице, совместно с галогенами.
Получили вот это:
phys.org sciencedaily.com
Эта структура уменьшает энергию активации реакции:O2 + 4H+ + 4e -> 2H2O
Схема PEM - топливного элемента, на катоде - катализатор:
и далее:
"Тестирование катодов, покрытых нанопластинками галогенизированного графена, показало, что лучшие результаты демонстрирует сочетание графена и йода. Этот катализатор привел к повышению производства тока на 33% (по сравнению с коммерческим платиновым покрытием)."
" После 10 000 циклов работы электроды с графеном и йодом поддерживали от 85,6 до 87,4% от начального тока. Для платины этот показатель не превышает 62,5%. Кроме того, эффективность платиновых катализаторов резко падает в случае добавления угарного газа, а графен-йодный катализатор продемонстрировал устойчивость к нему. Как отмечает г-н Пэк, сейчас он и его коллеги работают над оптимизацией материала"innocom.ru (там тоже "переводчики")
Виды топливных элементов:
PEM -Топливные элементы с ионообменной мембраной

Отличительной особенностью PEM-элементов является применение графитовых электродов и твердополимерного электролита (или, как его еще называют, ионообменной мембраны — Proton Exchange Membrane). В качестве топлива в PEM-элементах используется чистый водород, а роль окислителя выполняет содержащийся в воздухе кислород. Водород подается со стороны анода, где происходит электрохимическая реакция:

2H2 -> 4H+ + 4e.

Ионы водорода перемещаются от анода к катоду через электролит (ионный проводник), в то время как электроны — через внешнюю цепь. На катоде, со стороны которого подается окислитель (кислород или воздух), происходит реакция окисления водорода с образованием чистой воды:

O2 + 4H+ + 4e -> 2H2O.

Рабочая температура PEM-элементов составляет около 80 °С. При таких условиях электрохимические реакции протекают слишком медленно, поэтому в конструкции элементов данного типа используется катализатор — обычно тонкий слой платины на каждом из электродов.

Одна ячейка такого элемента, состоящая из пары электродов и ионообменной мембраны, способна генерировать напряжение порядка 0,7 В. Для увеличения выходного напряжения массив отдельных ячеек соединяется в батарею.

PEM-элементы способны работать при относительно низкой температуре окружающей среды и обладают довольно высокой эффективностью (КПД составляет от 40 до 50%). В настоящее время на базе PEM-элементов созданы действующие прототипы энергоустановок мощностью до 50 кВт; в стадии разработки находятся устройства мощностью до 250 кВт.

Существует несколько ограничений, препятствующих более широкому распространению данной технологии. Это относительно высокая стоимость материалов для изготовления мембран и катализатора. Кроме того, в качестве топлива можно использовать только чистый водород.

Щелочные топливные элементы (Alkaline Fuel Cells, AFC)

Конструкция первого щелочного топливного элемента была разработана русским ученым П.Яблочковым в 1887 году. В качестве электролита в щелочных элементах используется концентрированный гидроксид калия (КОН) либо его водный раствор, а основным материалом для изготовления электродов является никель.

В качестве топлива применяется чистый водород, а качестве окислителя — чистый кислород. Реакция окисления водорода протекает через электроокисление водорода на аноде:

2H2 + 4OH– — 4e -> 4H2O

и электровосстановление кислорода на катоде:

O2 + 2H2O + 4e -> 4OH–.

Гидроксид-ионы двигаются в электролите от катода к аноду, а электроны — по внешней цепи от анода к катоду.

Щелочные элементы работают при температуре около 80 °С, однако значительно (примерно на порядок) уступают PEM-элементам по удельной мощности, вследствие чего их габариты (при сравнимых характеристиках) значительно больше. Однако себестоимость производства щелочных элементов значительно ниже, чем PEM. Основной недостаток щелочных элементов заключается в необходимости использования чистых кислорода и водорода, поскольку содержание в топливе или окислителе примесей углекислого газа (CO2) приводит к карбонизации щелочи.

Фосфорнокислые топливные элементы (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC)

В качестве электролита в фосфорнокислых элементах используется жидкая фосфорная кислота, обычно заключенная в порах матрицы из карбида кремния. Для изготовления электродов применяется графит. Происходящие в фосфорнокислых элемента реакции электроокисления водорода аналогичны тем, которые протекают в PEM-элементах.

Рабочая температура фосфорнокислых элементов несколько выше по сравнению с PEM- и щелочными и колеблется в пределах от 150 до 200 °С. Тем не менее для обеспечения необходимой скорости электрохимических реакций необходимо использовать катализаторы (платину либо сплавы на ее основе). Благодаря более высокой рабочей температуре фосфорнокислые элементы менее чувствительны к химической чистоте топлива (водорода), чем PEM- и щелочные элементы. Это позволяет применять топливную смесь, содержащую 1-2% оксида углерода. В качестве окислителя можно использовать обычный воздух, поскольку содержащиеся в нем вещества не вступают в реакцию с электролитом.

Фосфорнокислые элементы обладают относительно невысоким КПД (порядка 40%) и требуют некоторого времени для выхода на рабочий режим при холодном старте. Однако PAFC имеют и целый ряд преимуществ, в том числе более простую конструкцию, а также высокую стабильность и низкую летучесть электролита.

В настоящее время на базе фосфорнокислых элементов создано и запущено в коммерческую эксплуатацию большое количество энергоустановок мощностью от 200 кВт до 20 МВт.
Топливные элементы с прямым окислением метанола (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC)

Элементы с прямым окислением метанола являются одним из вариантов реализации элементов с ионообменной мембраной. Топливом для DMFC-элементов служит водный раствор метилового спирта (метанола). Необходимый для реакции водород (и побочный продукт в виде углекислого газа) получается за счет прямого электроокисления раствора метанола на аноде:

CH3OH + H2O -> CO2 + 6H+ + 6e.

На катоде происходит реакция окисления водорода с образованием воды:

3/2O2 + 6H+ + 6e -> 3H2O.

Рабочая температуры DMFC-элементов составляет примерно 120 °С, что немного выше по сравнению с водородными PEM-элементами. Недостатком низкотемпературного преобразования является более высокая потребность в катализаторах. Это неизбежно приводит увеличению стоимости таких топливных элементов, однако данный недостаток компенсируется удобством использования жидкого топлива и отсутствием необходимости в применении внешнего конвертора для получения чистого водорода.
Топливные элементы с электролитом из расплава карбоната лития и натрия (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC)

Данный тип топливных элементов относится к высокотемпературным устройствам. В них применяется электролит, состоящий из карбоната лития (Li2CO3) либо карбоната натрия (Na2CO3), находящегося в порах керамической матрицы. В качестве материала для анода используется никель, легированный хромом, а для катода — литированный оксид никеля (NiO + LiO2). При нагревании до температуры порядка 650 °С компоненты электролита расплавляются, в результате чего образуются ионы углекислой соли, движущиеся от катода к аноду, где они вступают в реакцию с водородом:

CO32– + H2 -> H2O + CO2 + 2e.

Высвободившиеся электроны движутся по внешней цепи обратно к катоду, где происходит реакция:

CO2 + 1/2 O2 + 2e -> CO32–.

Высокая рабочая температура данных элементов позволяет применять в качестве топлива природный газ (метан), преобразуемый встроенным конвертором в водород и монооксид углерода:

CH4 + H2O  CO + 3H2.

MCFC-элементы обладают высоким КПД (до 60%) и позволяют использовать в качестве катализатора не платину, а более дешевый и доступный никель. Вследствие большого количества выделяемого при работе тепла данный вид топливных элементов хорошо подходит для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии, однако малопригоден для эксплуатации в мобильных условиях. В настоящее время на базе MCFC-элементов уже созданы стационарные энергоустановки мощностью до 2 МВт.

Топливные элементы с твердым электролитом (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)

Данный тип элементов имеет еще более высокую рабочую температуру (от 800 до 1000 °С), чем вышеописанный MCFC. В SOFC применяется керамический электролит на основе оксида циркония (ZrO2), стабилизированного оксидом иттрия (Y2O3). На катоде происходит электрохимическая реакция с образованием отрицательно заряженных ионов кислорода:

O2 + 4e -> 2O2–.

Отрицательно заряженные ионы кислорода движутся в электролите по направлению от катода к аноду, где происходит окисление топлива (обычно — смеси водорода с монооксидом углерода с образованием воды и углекислого газа:

H2 + 2O2– -> H2O + 2e;

CO + 2O2– -> CO2 + 2e.

Элементы типа SOFC обладают теми же достоинствами, что и MCFC, включая возможность использования в качестве топлива природного газа. Компоненты SOFC обладают более высокой химической стабильностью, однако себестоимость их производства несколько выше по сравнению с MCFC.

Ссылка

• +0.05 / 2

Цитата: Пацаки пендосам на голову от 13.06.2013 21:31:09

Схема PEM - топливного элемента, на катоде - катализатор:
и далее:

Цитата: Пацаки пендосам на голову от 13.06.2013 21:31:09

 

Вы как то забыли с чего начиналась Ваша ссылка:

"Топливные элементы вырабатывают электрический ток с помощью водорода, который является экологически чистым топливом. Не исключено, что в будущем ими оснастят транспортные средства — автомобили, самолеты и т. д. Необходимость использования платины в конструкциях элементов делает их довольно дорогостоящими."

На что, собственно, я и обратил внимание. А далее, по ходу Вашей ссылки получалось, что из водорода и кислорода получается и СО и метанол. Что и вызвало лёгкое недоумение.

А то, что в качестве топлива, вообще, в топливных элементов используют и метанол, откровением не является.

• +0.07 / 1