Как интернет повлиял на то, что мы читаем? — все самое интересное на ПостНауке
![]()
Водород — наиболее распространенный в природе элемент, газ, который при сжигании выделяет большое количество тепла. Соотношение энергия/масса у водородного топлива в три раза выше, чем у бензина. Способы преобразования водородной энергии по сравнению с традиционными энергосистемами разнообразны, просты, эффективны и экологичны. Например, при окислении водорода получается не только электричество, но и ценный и экологически чистый ресурс — вода. Все это делает водород частью новой энергетической парадигмы. Вариантов применения водорода множество. Водород может использоваться в качестве топлива для автомобилей и общественного транспорта, работающих на высокоэффективных водородных топливных элементах. Такие машины обладают нулевым уровнем выброса углекислого газа. Водород можно применять и в системах отопления вместо угля и других ископаемых видов топлива. Избыточную электроэнергию, произведенную солнечными и ветровыми установками в периоды низкого потребления — например, ночью, когда большинство людей спит, — также можно накапливать с помощью водорода. Технически это реализуется через направление "лишней" энергии на электролиз воды — разделения H2O на водород и кислород. Полученный водород можно использовать, например, в безветренную или пасмурную погоду, когда ветряки и солнечные панели вырабатывают меньше энергии. При этом, водородная энергетика имеет и свои "но". Первая проблема заключается в том, что водород практически не встречается на Земле в чистом виде — его необходимо выделять из различных химических соединений, затрачивая на это энергию. Один из самых "чистых" способов получить водород — как раз электролиз, но этот процесс требует большого количества электроэнергии. Другой способ — разложение метана при высокой температуре. Кроме того, водород — очень легкий и плохо сжижаемый газ, который трудно транспортировать. Сейчас приходится перевозить водород либо в химически связанном виде, либо в газообразном состоянии в баллонах высокого давления, либо в сжиженном виде. При этом небходимо соблюдать особые меры безопасности, поскольку водород образует с воздухом взрывоопасные смеси. Все это требует значительных финансовых и энергетических затрат. И многие компании, изначально вдохновленные перспективами водородной энергетики, замедляют реализацию этих проектов по экономическим причинам. Тем не менее, в научном сообществе сложился консенсус, что проблемы решаемы, и будущее — за водородной энергетикой. Ученые размышляют, как именно можно перейти с ископаемого топлива на водородное. ![]()
![]()
Ученые из разных стран пытаются создать полностью бесплатиновые катализаторы, чтобы снизить стоимость топливных элементов. С такими катализаторами можно использовать другой тип мембран — анионообменные мембраны, которые переносят не протоны, а OH−ионы. Однако эти технологии пока не выдерживают конкуренции с топливными элементами с протонообменной мембраной и платиновыми катализаторами. Поэтому самый простой вариант — попытаться снизить содержание платины в каталитическом слое, разбавив ее каким-либо другим металлом. В одной из последних работ ученые ЮФУ использовали для этой цели палладий [6]. Предварительные исследования показали, что этот металл способен повысить каталитическую активность платины. Никель и кобальт также способны улучшать свойства платинового катализатора, но эти металлы термодинамически нестабильны и постепенно "вымываются" из каталитического слоя. В отличие от них, палладий — благородный и термодинамически устойчивый металл, который может сохраняться в составе наночастиц долгое время. Такие экспериментальные платино-палладиевые катализаторы могут прослужить примерно столько же, сколько и коммерческие платиновые. Запасы палладия в природе превышают запасы платины, поэтому его использование позволит увеличить объем производимых катализаторов, не ухудшая, а даже улучшая их качество. На сегодняшний день ученые ЮФУ изучили две платино-палладиевые системы. Первая — это твердый раствор, в котором атомы платины и палладия перемешаны в кристаллической решетке (далеко не всегда равномерно). Второй вариант, который показал себя лучше, — система типа "оболочка — ядро". Здесь внутренняя часть состоит преимущественно из атомов палладия, а вокруг них — платиновая оболочка. Поскольку платина находится на поверхности палладия, ее свойства немного меняются, что делает ее более эффективным катализатором. Размеры ядра и оболочки можно варьировать, получая катализаторы с интересными свойствами. Однако в платиновой оболочке могут возникать микроскопические дефекты, которые ускоряют ее деградацию. Ученым еще предстоит тщательно изучить все эти особенности. ![]()
В связи с этим остаётся открытым вопрос о том, как получать миллиарды наночастиц одинаковой формы, структуры и размера. Способы их синтеза должны быть промышленными, масштабируемыми, недорогими и экологичными. Поэтому микроструктуру катализаторов нужно постоянно совершенствовать, чтобы добиться компромисса. Несмотря на сложности, программы развития водородной энергетики постепенно реализуются в развитых странах. Готовые решения уже предлагаются странам Африки, чтобы они могли сразу создавать экологичные и эффективные системы, а не пользовались устаревшими технологиями. По данным Международного энергетического агентства, если все заявленные проекты будут реализованы, к 2030 году использование водорода может помочь снизить потребление природного газа на 14 млрд кубометров в год, угля — на 20 млн тонн в год и нефти — на 360 тыс. баррелей в сутки [7]. Это эквивалентно всем известным на сегодняшний день запасам ископаемого топлива в Колумбии. Бельгийская компания Umicore, производящая платиносодержащие электрокатализаторы, оценивает глобальную потребность в них на уровне 24 тонн в 2025 году и 90 тонн в 2030-м [8]. При этом другие отрасли тоже развиваются, и список преимуществ водородных технологий перед, например, литий-ионными аккумуляторами регулярно пересматривается.
14 декабря 2024, 16:01
Сегодня, по мнению многих ученых, именно водород — фундамент энергетики будущего. Совсем скоро он будет давать энергию электромобилям, заменит уголь в котельных жилых районов и придет на помощь "метеозависимым" ветрякам и солнечным панелям. Все это поможет отказаться от ископаемого топлива и снизить выбросы углекислого газа, которые влияют на глобальное потепление. Но все ли так оптимистично? Как работают водородные топливные элементы и можно ли сделать их эффективнее? И почему "водород" — такая дорогая и сложная технология? Об этом ПостНаука поговорила с доктором химических наук, главным научным сотрудником химического факультета Южного федерального университета Владимиром Гутерманом. Водородное будущее
Сегодня ископаемое топливо — нефть, газ и уголь — составляет 82% от общего мирового потребления энергии [1]. Остальные примерно 20% приходятся на альтернативные источники энергии: атомные электростанции, солнечную, гидро- и ветроэнергетику, биотопливо. Запасы ископаемого топлива исчерпаемы, и его сжигание приводит к выбросам углекислого газа и парниковому эффекту, который вносит огромный вклад в изменение климата. Все это заставляет человечество шире применять уже известные альтернативные источники энергии и искать новые способы ее накопления, транспортировки и преобразования. Один из них — водородная энергетика.
Водород — наиболее распространенный в природе элемент, газ, который при сжигании выделяет большое количество тепла. Соотношение энергия/масса у водородного топлива в три раза выше, чем у бензина. Способы преобразования водородной энергии по сравнению с традиционными энергосистемами разнообразны, просты, эффективны и экологичны. Например, при окислении водорода получается не только электричество, но и ценный и экологически чистый ресурс — вода. Все это делает водород частью новой энергетической парадигмы. Вариантов применения водорода множество. Водород может использоваться в качестве топлива для автомобилей и общественного транспорта, работающих на высокоэффективных водородных топливных элементах. Такие машины обладают нулевым уровнем выброса углекислого газа. Водород можно применять и в системах отопления вместо угля и других ископаемых видов топлива. Избыточную электроэнергию, произведенную солнечными и ветровыми установками в периоды низкого потребления — например, ночью, когда большинство людей спит, — также можно накапливать с помощью водорода. Технически это реализуется через направление "лишней" энергии на электролиз воды — разделения H2O на водород и кислород. Полученный водород можно использовать, например, в безветренную или пасмурную погоду, когда ветряки и солнечные панели вырабатывают меньше энергии. При этом, водородная энергетика имеет и свои "но". Первая проблема заключается в том, что водород практически не встречается на Земле в чистом виде — его необходимо выделять из различных химических соединений, затрачивая на это энергию. Один из самых "чистых" способов получить водород — как раз электролиз, но этот процесс требует большого количества электроэнергии. Другой способ — разложение метана при высокой температуре. Кроме того, водород — очень легкий и плохо сжижаемый газ, который трудно транспортировать. Сейчас приходится перевозить водород либо в химически связанном виде, либо в газообразном состоянии в баллонах высокого давления, либо в сжиженном виде. При этом небходимо соблюдать особые меры безопасности, поскольку водород образует с воздухом взрывоопасные смеси. Все это требует значительных финансовых и энергетических затрат. И многие компании, изначально вдохновленные перспективами водородной энергетики, замедляют реализацию этих проектов по экономическим причинам. Тем не менее, в научном сообществе сложился консенсус, что проблемы решаемы, и будущее — за водородной энергетикой. Ученые размышляют, как именно можно перейти с ископаемого топлива на водородное. 
Как работает топливный элемент
Сжигание водорода — не совсем чистый процесс. Воздух, используемый при окислении водородного топлива, всегда содержит азот. При повышенной температуре молекулы азота и кислорода образуют токсичные оксиды азота, которые содержатся, в том числе, в выхлопных газах автомобилей. Избежать этого позволяют топливные элементы, которые напрямую преобразуют химическую энергию водородного топлива в электричество, минуя стадию нагрева. Полное отсутствие выбросов, высокий коэффициент полезного действия и бесшумная работа — все это делает топливные элементы основой водородной энергетики. Топливный элемент состоит из мембранно-электродных блоков. Каждый такой блок представляет собой полимерную мембрану, на которую с двух сторон нанесены пористые электродные слои — катод и анод. В этих слоях обязательно присутствует катализатор — вещество, ускоряющее химические реакции. Мембрана почти не пропускает газы, но через нее проходят мельчайшие частицы — протоны или гидроксид-ионы. Топливный элемент работает не слишком сложно: на электроды подаются восстановитель и окислитель — водород и кислород. На аноде, куда подводят водород, проходит реакция окисления. В свою очередь, на катоде протекает реакция восстановления кислорода. При окислении молекулы водорода делятся на протоны и электроны, которые идут к катоду разными путями. Электроны проходят через внешнюю цепь, образуя электрический ток, а протоны мигрируют через мембрану к катоду, где они соединяются с кислородом. В ходе реакции выделяется тепло и образуется вода, которая выводится из топливного элемента. Долговечность (или стабильность) топливных элементов зависит от свойств каталитического слоя — от дизайна до состава и структуры отдельных составляющих, а также от условий эксплуатации. Это очень важный параметр: если в водородных автомобилях придется менять топливный элемент каждые два года, ими никто не будет пользоваться. Поэтому разработчики топливных элементов иногда жертвуют активностью в пользу стабильности. Современные водородные элементы рассчитаны в среднем на пять лет. Применение водородных элементов Водородные топливные элементы можно использовать в наземном, водном и воздушном транспорте, беспилотных летательных аппаратах и космонавтике. Сегодня почти все крупные автопроизводители — Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler — разрабатывают и тестируют автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах. Российский "КАМАЗ" также представил свой водородный грузовик грузоподъемностью более 20 тонн, способный проехать до 500 км на одной заправке. При достижении целей, заявленных в стратегиях развития водородного транспорта США, Китая, Японии, Евросоюза и других стран, потребление водорода в транспортном секторе вырастет со 140 тыс. тонн в год до 14 млн к 2030 году [2].Драгоценная скорость
Один из главных компонентов топливного элемента — катализатор. Без этого тончайшего слоя преобразование энергии проходило бы в десятки тысяч раз медленнее, и не удалось бы добиться плотного потока электронов. В качестве катализатора в водородных топливных элементах используется платина. Благодаря особым свойствам кристаллической решетки химические реакции протекают на платине во много раз быстрее, чем на других металлах. Однако это очень дорогой материал, который желательно применять в очень малых количествах. Например, в водородном автомобиле Toyota Mirai используется всего 10-15 граммов платины [3]. В топливных элементах платину наносят в виде наночастиц на поверхность углеродного носителя, который хорошо проводит электрический ток. Углерод не дает частицам платины слипаться друг с другом, что позволяет покрыть платиной обширную площадь электрода без высоких затрат. Один грамм платины в виде наночастиц, нанесенных на углерод, позволяет создать каталитический слой площадью до 120 квадратных метров. Таких результатов добилась группа ученых из ЮФУ, создавшая компанию "Прометей РД", которая производит катализаторы для водородного топлива [4]. Наночастицы платины могут иметь разную форму. Дело в том, что каталитическая активность зависит в том числе от формы кристалла. Согласно некоторым исследованиям, определенные комбинации форм и размеров кристаллов позволяют увеличить эту активность в пять раз, что позволяет существенно сэкономить платину. Это особенно важно, учитывая, что запасы платины на Земле очень ограничены: ее концентрация в земной коре составляет всего 0,005 ppm (частей на миллион) [5]. Если человечество начнет широко использовать топливные элементы и электролизеры, платины может не хватить.
Ученые из разных стран пытаются создать полностью бесплатиновые катализаторы, чтобы снизить стоимость топливных элементов. С такими катализаторами можно использовать другой тип мембран — анионообменные мембраны, которые переносят не протоны, а OH−ионы. Однако эти технологии пока не выдерживают конкуренции с топливными элементами с протонообменной мембраной и платиновыми катализаторами. Поэтому самый простой вариант — попытаться снизить содержание платины в каталитическом слое, разбавив ее каким-либо другим металлом. В одной из последних работ ученые ЮФУ использовали для этой цели палладий [6]. Предварительные исследования показали, что этот металл способен повысить каталитическую активность платины. Никель и кобальт также способны улучшать свойства платинового катализатора, но эти металлы термодинамически нестабильны и постепенно "вымываются" из каталитического слоя. В отличие от них, палладий — благородный и термодинамически устойчивый металл, который может сохраняться в составе наночастиц долгое время. Такие экспериментальные платино-палладиевые катализаторы могут прослужить примерно столько же, сколько и коммерческие платиновые. Запасы палладия в природе превышают запасы платины, поэтому его использование позволит увеличить объем производимых катализаторов, не ухудшая, а даже улучшая их качество. На сегодняшний день ученые ЮФУ изучили две платино-палладиевые системы. Первая — это твердый раствор, в котором атомы платины и палладия перемешаны в кристаллической решетке (далеко не всегда равномерно). Второй вариант, который показал себя лучше, — система типа "оболочка — ядро". Здесь внутренняя часть состоит преимущественно из атомов палладия, а вокруг них — платиновая оболочка. Поскольку платина находится на поверхности палладия, ее свойства немного меняются, что делает ее более эффективным катализатором. Размеры ядра и оболочки можно варьировать, получая катализаторы с интересными свойствами. Однако в платиновой оболочке могут возникать микроскопические дефекты, которые ускоряют ее деградацию. Ученым еще предстоит тщательно изучить все эти особенности. 
В связи с этим остаётся открытым вопрос о том, как получать миллиарды наночастиц одинаковой формы, структуры и размера. Способы их синтеза должны быть промышленными, масштабируемыми, недорогими и экологичными. Поэтому микроструктуру катализаторов нужно постоянно совершенствовать, чтобы добиться компромисса. Несмотря на сложности, программы развития водородной энергетики постепенно реализуются в развитых странах. Готовые решения уже предлагаются странам Африки, чтобы они могли сразу создавать экологичные и эффективные системы, а не пользовались устаревшими технологиями. По данным Международного энергетического агентства, если все заявленные проекты будут реализованы, к 2030 году использование водорода может помочь снизить потребление природного газа на 14 млрд кубометров в год, угля — на 20 млн тонн в год и нефти — на 360 тыс. баррелей в сутки [7]. Это эквивалентно всем известным на сегодняшний день запасам ископаемого топлива в Колумбии. Бельгийская компания Umicore, производящая платиносодержащие электрокатализаторы, оценивает глобальную потребность в них на уровне 24 тонн в 2025 году и 90 тонн в 2030-м [8]. При этом другие отрасли тоже развиваются, и список преимуществ водородных технологий перед, например, литий-ионными аккумуляторами регулярно пересматривается.