Учёные химического факультета ЧелГУ ведут эксперименты по созданию принципиально нового источника электроэнергии — водородных топливных элементов. Об этом рассказал доктор физико-математических наук, профессор, декан химического факультета ЧелГУ Владимир Бурмистров в программе «Такая наука» на радио «Комсомольская правда-Челябинск».
Одной из перспективных технологий в энергетике является получение электроэнергии с помощью водородных топливных элементов. Такие устройства способны эффективно и экологично обеспечивать энергией от портативной электроники до транспортных средств. Ключ к их высокой производительности — особые материалы внутри элементов.
— Владимир Александрович, расскажите пожалуйста простыми словами, что такое протон, протонные проводники и протонная проводимость.
— Мы знаем из школьной программы, что атом водорода состоит из ядра, содержащего протон, и электрона. Если мы уберем электрон, то останется только протон — положительно заряженный ион водорода. А протонная проводимость — это направленное движение протонов под воздействием электрического поля.
— А как протоны могут перемещаться в твердых материалах?
— Вопрос кажется простым, но на самом деле он является фундаментальным, поскольку здесь нужны знания о состоянии протонов в кристаллической решётке твердых тел. В 1981 году я защитил кандидатскую диссертацию по состоянию протонов в поликристаллической полисурьмяной кислоте. За два года до этого мы направили научную статью о протонной проводимости в гидратированном оксиде сурьмы в «Журнал теоретической и экспериментальной физики», но получили отказ. В то время считалось, что протоны могут находиться в кристаллической решётке твердого тела только в виде связанных с кислородом группировок (молекул воды, гидроксильных групп), и поэтому о протонной проводимости речи быть не может.
Позже нам удалось провести серию экспериментов, создать модель протонной проводимости и опубликовать статьи в в различных изданиях (ДАН СССР, Известия АН СССР, J. Solid State Chem. и др). Мы показали, что протоны в кристаллической решётке образуют с молекулами воды ионы оксония и способны перемещаться по системе водородных связей. Таким образом, задача была решена, по крайней мере, для нашей системы — для полисурьмяной кислоты. Тут больше не нужно было доказывать, что этого явления не может быть, и мы и сосредоточились на изучении свойств протонной проводимости: от чего она может зависеть и как на проводимость влияет структура кристаллов.
— То есть выходит, что до 1979 года о протонной проводимости не знали? Или это касается только твёрдых материалов?
— Нет, протонная проводимость в растворах была известна давно. Доказательство тому — электролиз, который обусловлен тем, что ионы водорода могут двигаться под воздействием электрического поля. Что касается твёрдых материалов, то первые серьёзные исследования и публикации о протонной проводимости появились в зарубежных изданиях в 1970-х годах. И мы шли в ногу со временем, наравне с исследователями из США и Японии.
— А что заставляет протоны перемещаться?
— Тепловое движение. Но когда вы помещаете образец в электрическое поле, таким образом прикладывая разность потенциалов, прыжки протонов становятся разновероятными — по полю и против поля. Именно эта разница в вероятностях обеспечивает направленное движение протонов в сторону отрицательно заряженного электрода, создавая эффект протонной проводимости.
— Я правильно понимаю, что когда мы говорим о протонах и их применении в будущем, мы имеем в виду низкотемпературные топливные элементы? Ведь именно их сейчас считают перспективными для применения, например, в транспорте?
— Топливные элементы, протонная проводимость и протон-проводящие мембраны работают и в диапазоне низких, и средних, и высоких температур. Все они находят применение.
Если мы говорим о высокотемпературных топливных элементах, то их эффективно будет использовать в теплостанциях. Они как бы «дожигают» остаточный газ, который остается после сгорания газовой горелки. При использовании нового топливного элемента мы сможем увеличить КПД теплостанции с сорока процентов до примерно шестидесяти-семидесяти процентов. Это очень приличная цифра.
А низкотемпературные топливные элементы отличаются высокой мобильностью и энергоемкостью. Высокотемпературные элементы работают при температурах свыше 600 градусов, и в быту, в двигателях их ника не применить. В автомобиль такой не поставить. У низкотемпературных — большая удельная электрическая емкость и они могут запасать большое количество энергии. Таким образом они подходят не только для автомобильного транспорта, но и для летательных аппаратов, включая беспилотные, способные работать при такой системе до 22-24 часов без подзарядки.
— А что сейчас в беспилотниках?
— Сейчас в БПЛА, в зависимости от размера,работают литиевые аккумуляторы, иногда бензиновые двухтактные двигатели. Однако уже существуют опытные образцы протонпроводящих мембран. Разработками в этой области занимаются, например, в Институте проблем химической физики РАН и Институте общей и неорганической химии РАН, под руководством академика Андрея Ярославцева. Они делают и опытные образцы низкотемпературных топливных элементов, которые устанавливают на транспортные средства и тестируют 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 соответствующую инфраструктуру, включая производство водорода. Основной вопрос — откуда брать водород и насколько экономически выгодно его производство, поскольку получение обычно требует затрат энергии. Поэтому водород чаще всего получают с помощью возобновляемых источников, например, ветряных электростанций. Таким способом на Ямале путем электролиза производится большое количество водорода, который закупает Япония для своих автомобилей. Там уже налажена сеть водородных заправок. Но, повторюсь, это пока очень дорого.
В России проекты по созданию и тестированию этих систем только начинаются, но уже показывают хорошие результаты. Так что мы не очень отстаём по получению этих ячеек для топливных элементов.
— А что действительно мешает массовому распространению современных водородных элементов?
— Во-первых, это хранение водорода. Ведь он очень взрывоопасный. Если водород вступит в реакцию с кислородом, то произойдёт взрыв, поэтому хранение водорода — особая статья. Решением может стать использование палладия: если нагреть палладий в атмосфере водорода, он впитывает газ подобно губке, а при повторном нагревании выделяет его обратно. Однако палладий — дорогой редкоземельный металл, поэтому сейчас ведутся исследования над тем, чтобы заменить его более доступными соединениями. Результаты в целом есть. Значит, водород можно хранить не в баллонах под высоким давлением, а просто в твердом теле.
Во-вторых, это электроды. В качестве катализатора обычно применяют платину, которая также очень дорогая. И третье, самое главное, — это мембрана, которая должна быть проводящей, прочной и газонепроницаемой. По существу, над этим мы и работаем. В 2002 году у нас в Челябинском государственном университете сформировалась научная школа, которая вполне успешно решает эту задачу.
— Химический факультет ЧелГУ и научная группа под вашим руководством успешно решает проблемы, связанные с синтезом протон-проводящих мембран. Расскажите в чём заключается эта работа?
— Сначала о сложностях. Основная проблема мембран — зависимость их работы от температуры и влажности. И сейчас крайне необходимо разработать такие протон-проводящие материалы, которые смогли бы функционировать в широком диапазоне температур и других показателей. Известная мембрана на сегодняшний день — «Нафион» от DuPont. Наш аналог — МФ-4СК. функционирует при высокой влажности, так как протоны перемещаются по молекулам воды. При снижении влажности мембрана теряет проводимость, так как протоны останавливаются, «прилипая» к анионам кислорода. И нужно или обеспечить достаточную влажность, или создать мембраны, которые сохраняли бы воду и работали при температурах выше 100 °C, что значительно расширит их применимость.
Платина является эффективным катализатором при температуре выше 100 °C, однако при снижении температуры до 50-60 °C она работать перестаёт. Активные центры отравляются углекислым газом, и пропадает обратная связь между мембраной и электродом. В итоге возникает дилемма: мембрана хорошо работает при температуре меньше 100 °C (там, где высокая влажность), а электрод проявляет активность только при температуре выше 100 °C, но там уже не работает мембрана. И вот теперь нужно создать материал протон-проводящей мембраны, которая бы работала при температуре выше 100 °C. Ну и с другой, стороны, при низких температурах вода тоже перестаёт работать - она попросту замерзает, и соответственно проводимость снова исчезает.
Кстати, по этой теме была написана кандидатская диссертация Фёдора Ярошенко, сейчас уже доцента ЧелГУ. В ходе исследования полисурьмяной кислоты было установлено, что протоны в ней остаются подвижными при температурах до –150 °C, не замерзая, а при нагревании до 200 °C система удерживает протоны и молекулы воды. Позже пришла идея сделать композитный материал, совместив протон-проводящую мембрану (отечественную, из МФ-4СК) и наночастицы кристаллической полисурьмяной кислоты, введя эти наночастицы внутрь полимерной мембраны. Получившийся композит обладает протонной проводимостью как при низких температурах, так и при температурах выше 100 °C. Результаты разработок мы представили на различных конференциях, были опубликованы статьи и даны рекомендации по его использованию в производстве топливных элементов.
В ЧелГУ по этой теме ведутся широкие исследования: преподаватели и молодые учёные (аспиранты, магистры, дипломники) работают широким фронтом по разным направлениям. Под руководством Лилии Коваленко изучают допирование полисурьмяных кислот и ниобиевых систем элементами 4-й и 5-й групп, что позволяет синтезировать новые наноматериалы с улучшенной протонной проводимостью и удержанием протонов для последующего внедрения в мембраны.
Под руководством Фёдора Ярошенко идёт работа по модифицированию поверхности наночастиц кислотами и оксидами. Это позволяет улучшить свойства материалов. Под руководством Юлии Александровны Лупицкой завершена работа по гранту РНФ, посвящённая исследованию фазового состава и морфологии поверхности наночастиц полисурьмяной кислоты.
По этому направлению уже защищено 7 кандидатских и 3 докторских диссертации, касающихся химии гидратированных оксидов соединений сурьмы, что подчеркивает высокий уровень развития научной школы и значимость исследований.
— Значит, ваша главная задача — улучшить материал для протон-проводящей мембраны? Несколько научных направлений идут параллельно, развивая при этом разные темы?
— Да, но цель более масштабная — фундаментальные исследования поведения протонов в твёрдом теле. Исследуем процессы рекристаллизации и вопросы, как происходит взаимодействие с поверхностью модифицированного слоя. Это фундаментальная наука, а её практическое применение — создание мембраны с большей протонной проводимостью.
— Без фундаментальной науки действительно нет и прикладной. Каков путь нового материала от лабораторного открытия до реального использования в топливном элементе?
— Лабораторные топливные элементы мы конструируем сами. А промышленное применение — это уже не столько научный, сколько экономический вопрос. Сделать коммерческий топливный элемент — очень непросто. Сколько проблем возникает, сколько инженерных задач: подача водорода, контроль давления и температуры, запуск и управление работой элемента и так далее...
— Тогда вопрос: зачем нам это всё нужно?
— Создание возобновляемых источников энергии включено в Государственную программу «Научно-технологическое развитие РФ», утверждённую Президентом. У нас много газа и нефти, но нельзя стоять на месте. Нужно развивать альтернативные источники. Как пример — грандиозный проект по возведению плотины в Охотском море, и использование приливов-отливов для получения электроэнергии.
Наша цель — разработать, как получать водород в очень большом количестве путём электролиза. И так можно стать первой державой по получению водорода. Это позволит перейти на экологически чистое топливо в транспорте, ведь продукт работы топливного элемента — обычная вода. Это будет экологически чистое и энергетически возобновляемое производство!
Авторы: Ирина Фадюшина, Анна Таскаева, Мария Гулова
Разговор состоялся в программе «Такая наука» на радио «Комсомольская правда-Челябинск» (95,3 FM).
Программа «Такая наука» посвящена научным достижениям южноуральских ученых. Ведущая — доктор филологических наук, профессор ЧелГУ Анна Таскаева.
Материал подготовлен изданием "Комсомольская правда - Челябинск" и пресс-службой ЧелГУ