Эффективные технологии хранения необходимы, если солнечная и ветровая энергия поможет удовлетворить возросшие потребности в энергии. Одним из важных подходов является хранение в виде водорода, извлеченного из воды с использованием энергии солнца или ветра. Этот процесс происходит в так называемом электролизере. Благодаря новому материалу, разработанному исследователями Института Пола Шеррера PSI и Empa, эти устройства, вероятно, в будущем станут дешевле и эффективнее. Рассматриваемый материал работает как катализатор, ускоряющий расщепление молекул воды: первый шаг в производстве водорода. Исследователи также показали, что этот новый материал можно надежно производить в больших количествах, и продемонстрировали его рабочие характеристики в технической электролизной ячейке - основном компоненте электролизера. Результаты их исследования опубликованы в текущем выпуске научного журнала Nature Materials.
Поскольку солнечная и ветровая энергия не всегда доступны, они будут вносить значительный вклад в удовлетворение потребностей в энергии только после того, как будет разработан надежный метод хранения. Одним из перспективных подходов к решению этой проблемы является хранение в виде водорода. Для этого процесса требуется электролизер, который использует электричество, вырабатываемое солнечной или ветровой энергией, для расщепления воды на водород и кислород. Водород служит энергоносителем. Его можно хранить в резервуарах, а затем снова преобразовывать в электрическую энергию с помощью топливных элементов. Этот процесс можно проводить локально, в местах, где требуется энергия, таких как жилые дома или автомобили на топливных элементах, что обеспечивает мобильность без выбросов CO2
Недорого и эффективно
Исследователи из Института Пауля Шеррера PSI разработали новый материал, который действует как катализатор в электролизере и, таким образом, ускоряет расщепление молекул воды: первый шаг в производстве водорода. «В настоящее время на рынке есть два типа электролизеров: один эффективен, но дорог, потому что его катализаторы содержат благородные металлы, такие как иридий. Другие дешевле, но менее эффективны», - объясняет Эмилиана Фаббри, исследователь из Института Пауля Шеррера. «Мы хотели разработать эффективный, но менее дорогой катализатор, работающий без использования благородных металлов».
Исследуя эту процедуру, исследователи смогли использовать уже разработанный материал: сложное соединение элементов бария, стронция, кобальта, железа и кислорода - так называемый перовскит. Но они первыми разработали метод, позволяющий производить его в виде мельчайших наночастиц. Это форма, необходимая для его эффективного функционирования, поскольку катализатору требуется большая площадь поверхности, на которой множество реакционных центров могут ускорять электрохимическую реакцию. Как только отдельные частицы катализатора становятся как можно меньше, их соответствующие поверхности объединяются, образуя гораздо большую общую площадь поверхности.
Исследователи использовали так называемое устройство пламенного распыления для производства этого нанопорошка: устройство, которым управляет Empa, посылает составные части материала через пламя, где они сливаются и быстро затвердевают в мелкие частицы после того, как покидают пламя. «Нам нужно было найти способ работы устройства, который надежно гарантировал бы затвердевание атомов различных элементов в правильную структуру», - подчеркивает Фаббри. «Мы также смогли изменить содержание кислорода там, где это было необходимо, что позволило производить различные варианты материалов».
Успешные полевые испытания
Исследователи смогли показать, что эти процедуры работают не только в лаборатории, но и на практике. Способ производства позволяет получить большое количество порошка катализатора, и его можно легко сделать доступным для промышленного использования. «Нам очень хотелось испытать катализатор в полевых условиях. Конечно, у нас есть испытательное оборудование в PSI, способное исследовать материал, но его ценность в конечном итоге зависит от его пригодности для промышленных электролизеров, которые используются в коммерческих электролизерах», - говорит Фаббри. Исследователи протестировали катализатор в сотрудничестве с производителем электролизеров в США и смогли показать, что устройство работает более надежно с новым перовскитом, произведенным PSI, чем с обычным катализатором на основе оксида иридия..
Анализ в миллисекундах
Исследователи также смогли провести точные эксперименты, которые предоставили точную информацию о том, что происходит с новым материалом, когда он активен. Это включало изучение материала с помощью рентгеновских лучей на швейцарском источнике света SLS от PSI. Это оборудование предоставляет исследователям уникальную измерительную станцию, способную анализировать состояние материала в течение последовательных промежутков времени всего 200 миллисекунд.«Это позволяет нам отслеживать изменения в катализаторе во время каталитической реакции: мы можем наблюдать изменения электронных свойств или расположения атомов», - говорит Фаббри. На других установках каждое отдельное измерение занимает около 15 минут, давая в лучшем случае только усредненное изображение». больше неравномерно расположены. Неожиданно, это делает материал лучшим катализатором.
Использование на платформе ESI
Работа над разработкой технологических решений для энергетического будущего Швейцарии является важным аспектом исследований, проводимых PSI. С этой целью PSI предоставляет свою экспериментальную платформу ESI (Energy System Integration) для исследований и промышленности, что позволяет тестировать многообещающие решения в различных сложных условиях. Новый катализатор обеспечивает важную основу для разработки нового поколения электролизеров воды.