Резюме:
Недавно исследователи разработали новый материал электродов для электрохимической ячейки, способной эффективно преобразовывать избыток электричества и воды в водород. Когда спрос на электричество возрастает, электрохимическая ячейка становится обратимой, преобразуя водород обратно в электричество для сети. Водород также может использоваться в качестве топлива для отопления, транспортных средств или других целей.
Полная история:
Несмотря на то, что такие источники энергии, как ветер и солнце, отлично справляются с производством электроэнергии без выбросов, они зависят от солнца и ветра, поэтому предложение не всегда удовлетворяет спрос. Аналогичным образом, атомные электростанции работают более эффективно при максимальной мощности, так что выработка электроэнергии не может быть легко увеличена или уменьшена в зависимости от спроса.
Десятилетиями исследователи в области энергетики пытались решить одну большую задачу: как хранить избыток электроэнергии, чтобы его можно было снова направить в сеть, когда это необходимо?
Недавно исследователи Национальной лаборатории штата Айдахо помогли ответить на этот вызов, разработав новый материал электродов для электрохимической ячейки, которая может эффективно преобразовывать избыток электричества из воды в водород. Когда спрос на электроэнергию возрастает, электрохимический элемент является обратимым, преобразуя водород обратно в электричество для сети. Водород может также использоваться в качестве топлива для отопления, транспортных средств или других целей.
Результаты появились в Интернете на этой неделе в журнале Nature Communications.
Исследователи уже давно осознали потенциал водорода в качестве накопителя энергии, сказал Донг Динг(Dong Ding), старший штатный инженер/ученый и руководитель группы химической переработки в INL.
"Грандиозная задача по хранению энергии, с ее разнообразными потребностями в исследованиях и разработках, привела к появлению новых возможностей для водорода", - сказал Динг. "Мы нацеливаемся на водород в качестве промежуточного энергоносителя для эффективного хранения энергии".
Динг и его коллеги усовершенствовали один тип электрохимической ячейки, названный протонной керамической электрохимической ячейкой (ПКЭЯ), которая использует электричество для расщепления пара на водород и кислород.
Однако в прошлом эти устройства имели ограничения, особенно то, что они работали при температурах до 800 градусов С. Высокие температуры требуют использования дорогостоящих материалов и приводят к более быстрой деградации, что делает электрохимические ячейки непомерно дорогими.
В статье Динг и его коллеги описывают новый материал для кислородного электрода - проводник, который облегчает реакцию расщепления воды и одновременное уменьшение кислорода. В отличие от большинства электрохимических ячеек, этот новый материал - оксид соединения, называемый перовскитом, - позволяет ячейке преобразовывать водород и кислород в электричество без дополнительного водорода.
Ранее Динг и его коллеги разработали для электрода трехмерную сетчатую архитектуру, которая сделала более доступной площадь поверхности для расщепления воды на водород и кислород. Вместе эти две технологии - 3D сетчатый электрод и новый материал электрода - позволили обеспечить самодостаточность и обратимость при температуре от 400 до 600 градусов Цельсия.
"Мы продемонстрировали возможность реверсивной работы ПКЭЯ при таких низких температурах для преобразования образующегося водорода в электроэнергию в режиме гидролиза, без внешнего подвода водорода, в самодостаточную операцию", - сказал Динг. "Это большой шаг для высокотемпературного электролиза".
Если раньше кислородные электроды проводили только электроны и ионы кислорода, то новый перовскит является "тройным проводником", - сказал Динг, имея в виду, что он проводит электроны, ионы кислорода и протоны. С практической точки зрения, тройной проводящий электрод означает, что реакция происходит быстрее и эффективнее, поэтому рабочая температура может быть снижена при сохранении хороших характеристик.
Для Динга и его коллег фокус был в том, чтобы выяснить, как добавить элемент к материалу перовскитного электрода, который придаст ему тройные проводящие свойства - процесс, называемый допингом. "Мы успешно продемонстрировали эффективную допинговую стратегию для разработки хорошего тройного проводящего оксида, который обеспечивает хорошую работу клеток при пониженных температурах", - сказал Ханпинг Динг, специалист по материалам и инженер группы химической обработки Национальной лаборатории штата Айдахо.
В будущем Донг Динг и его коллеги надеются продолжать совершенствовать электрохимическую ячейку, сочетая инновационные материалы с передовыми производственными процессами, чтобы технология могла использоваться в промышленных масштабах.
