Цифровой журнал «Компьютерра» 2011 № 31 (79) - [10]

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.

Понятно, в воде нет углерода, и при ее расщеплении не образуются никакие загрязняющие вещества. Водород, полученный из воды, по чистоте может достигать 99.99 %. Но вода очень устойчивое соединение, и согласно законам термодинамики, энергетически гораздо более выгодно водороду с кислородом провзаимодейстовать и образовать воду, чем из воды получать водород и кислород.

Способов получить из воды водород и кислород много. Значительный интерес представляет ферментативный способ. Конечно, процесс не очень эффективный, но любопытный, другой метод — фотокаталитический, то есть расщепление за счет энергии солнца (ультрафиолета). Для этого необходимо поместить в воду и подвергнуть ультрафиолетовому облучению, которое может поступать от солнца. В результате происходит процесс расщепления воды на водород и кислород. Но тут возникает проблема разделения водорода и кислорода, так как их образование пространственно не разделено.