подспорье к традиционной энергетике.
- Александр, расскажите, с чего началась история проекта, на который вы получили президентский грант?
- Наш институт совместно с четырьмя европейскими институтами (Технический университет Мюнхена, Датский технический университет, Университет Саутгемптона, Объединённый исследовательский центр в Голландии) и одной европейской же коммерческой организацией (Umicore), которая специализируется на производстве топливных элементов, участвовал в крупном проекте по разработке новых альтернативных каталитических систем для анодов низкотемпературных топливных элементов. К сожалению, вместе мы не успели сделать все, что было задумано, поэтому в дальнейшем стали работать самостоятельно. Мы подали заявку на президентский грант, и к нашей радости, выиграли в конкурсе.
- Кто вместе с вами участвует в исследовании?
- Вместе со мной в этом проекте принимает участие семь человек, пять молодых специалистов по синтезу и охарактеризованию катализаторов, студент и аспирант, занимающиеся вместе со мной электрокаталитическими исследованиями. Также я занимаюсь координацией проекта.
- Расскажите подробнее о своем проекте. Что такое электрокатализ, кстати?
- Термин «электрокатализ» появился благодаря началу бурных исследований, направленных на развитие технологии топливных элементов. Топливный элемент (ТЭ) — это устройство, в котором реализуется две реакции: окисление топлива на аноде и восстановление окислителя на катоде. Окислителем зачастую выступает кислород, подаваемый в ТЭ либо из воздуха, либо в чистом виде, что намного эффективнее, потому что в этом случае концентрация О2 приблизительно в 5 раз больше, чем в воздухе. Процессы окисления и восстановления разнесены в пространстве.
На одной части устройства проходит процесс окисления, это означает, что мы забираем у вещества электрон. На другой части устройства идет процесс восстановления, то есть добавление к веществу электрона. При этом электрон бежит не через реакционную среду, а направлен в электрическую сеть, и пока он от окисляемого топлива пробежит до восстанавливаемого кислорода, он успеет заставить работать лампочку, мобильный телефон, компьютер.
Звучит здорово, и это наиболее эффективный метод получения энергии из веществ, потому что таким образом мы напрямую энергию химической связи конвертируем в электрическую. В двигателе внутреннего сгорания КПД составляет десятки процентов (самые эффективные 20-30 %). А КПД топливного элемента чисто термодинамически может достигать 98%, на практике эти устройства работают с КПД около 50 % и стремятся к 70-80%. Это очень эффективный метод, а оба процесса — и окисления топлива, и восстановления кислорода, протекают на катализаторах.
Катализаторы для низкотемпературных топливных элементов, которые работают при температуре ниже ста градусов, наиболее интересны для нас. К глубочайшему сожалению, в тех условиях, в которых работают наиболее эффективные топливные элементы, наибольшую каталитическую активность проявляет платина. Ее стоимость составляет сейчас примерно 2 тысячи долларов за унцию, золото стоит около полутора тысяч, а палладий, который участвует в названии нашего проекта, стоит около 600 долларов. Это тоже дорогой металл, однако, он более распространен в земной коре, и его мировые запасы больше, чем платины, поэтому в электрокаталитическом сообществе в последнее десятилетие именно палладиевые катализаторы привлекают значительный интерес.
Но с палладием есть проблема, и здесь я перехожу непосредственно к задачам нашего проекта. Хотя он по своим каталитическим и электрокаталитическим свойствам во многом схож с дорогостоящей платиной, его активность в электроокислении водорода на два порядка ниже, а стоимость всего раза в три-четыре меньше.
То есть, очевидно, что мы не имеем никаких преимуществ при прямой замене Pt на палладий. В связи с этим начались поиски способов повышения его активности в реакции электроокисления водорода. Это достигалось за счет сплавления с другими металлами, модификаций другими элементами, в частности, в рамках этого проекта мы сделали интересное, как нам кажется, открытие, именно для палладиевых катализаторов, по которому сейчас пишем публикацию.
- Что за открытие?
- Для электрокаталитических приложений платину, палладий, рутений традиционно модифицируют такими же благородными или неблагородными металлами. Мы же впервые модифицировали палладий углеродом и показали, что в данном случае возрастание его активности не меньше, чем при его модификации дорогостоящим золотом. Это мы обнаружили сразу, когда начали работать в рамках проекта, и сейчас мы развиваем это направление и пытаемся приблизить его к практическому применению.
- Расскажите о методах расщепления воды на водород и кислород, которые используются в вашей работе.
- В чем интерес к водородному топливу? Жидкий метанол, пропанол, этанол по соотношению энергии к весу гораздо более энергоемкие топлива, чем баллон водорода. Если мы возьмем чашку жидкого этанола и такого же объема баллончик водорода под давлением, то выгоднее будет носить с собой чашку спирта, ее на дольше хватит. Но чтобы эффективно электрокаталитически окислить метанол, этанол и другие легкие органические вещества, обычные платиновые и палладиевые катализаторы непригодны, потому что они очень быстро дезактивируются.
Это происходит в связи с тем, что в результате процесса окисления легких спиртов образуются органические загрязнители, которые блокируют поверхность катализатора, топливный элемент становится неэффективным, и чтобы он хоть как-то работал, нужно повышать температуру выше ста градусов, создавать электроды с очень высоким содержанием благородных металлов. В результате мы получаем очень дорогое и непривлекательное для широкого применения устройство.
В случае водорода эта проблема отсутствует, но только если водород будет идеально чистым. Наиболее распространенный метод получения водорода — это реформинг, паровая конверсия органических веществ. Если у нас есть органическое соединение, состоящее из углерода, водорода и кислорода, спирт, например, то при определенных условиях его можно расщепить.
Представьте, у нас есть углерод, кислород и водород, мы извлекаем оттуда водород, остается углерод и кислород. Естественно, после процесса конверсии углеводорода они превратятся либо в СО2 — углекислый газ, либо в СО — моноксид углерода, угарный газ. Последнее соединение чрезвычайно неприятно и в плане воздействия на человека, и в плане электрокатализа.
Если СО2 является безвредным для анодных катализаторов ТЭ, и его можно удалить, то СО полностью удалить весьма сложно, и в неких ничтожных количествах он все равно остается в водородном топливе. А если он присутствует в водороде, который мы подаем на топливный элемент, то он очень быстро покрывает поверхность катализатора, дезактивирует его, и топливный элемент становится абсолютно неэффективным.
Наши палладиевые катализаторы по устойчивости к отравлению угарным газом во многом превосходят классические платиновые системы. Чтобы избежать проблемы отравления анодных катализаторов и исключить дорогостоящие стадии очистки топлива, наиболее перспективно получение изначально чистого водорода. Поэтому очень большой интерес вызывает именно процесс расщепления воды на водород и кислород.
