Наночастицы-мусорщики могут сделать автомобили на топливных элементах реальностью

Новый материал предотвращает деградацию недорогих катализаторов

Иллинойсский университет в Чикаго

Инженеры разработали материал, который может дать системам топливных элементов конкурентное преимущество по сравнению с аккумуляторными системами, которые в настоящее время питают большинство электромобилей.
 

Инженеры Иллинойского университета в Чикаго входят в совместную команду, которая разработала материал, который может дать системам топливных элементов конкурентное преимущество по сравнению с аккумуляторными системами, которые в настоящее время питают большинство электромобилей.



В отличие от литиевых батарей, технология топливных элементов основана на химических реакциях, запускаемых катализатором, для создания энергии. Литиевые батареи обычно могут достигать 100-300 миль на одном заряде, но они также уязвимы из-за высокой стоимости катодных материалов и производства и требуют нескольких часов для зарядки. В качестве альтернативы, системы топливных элементов используют обильные элементы, такие как кислород и водород, и могут проехать более 400 миль на одной зарядке, что можно сделать менее чем за пять минут. К сожалению, катализаторы, используемые для запуска их реакций, изготовлены из материалов, которые либо слишком дороги (например, платина), либо слишком быстро разлагаются, чтобы их можно было использовать.
До сих пор, т. е. С разработкой нового аддитивного материала ученые могут сделать недорогой железо-азотно-углеродный катализатор топливных элементов более долговечным. При добавлении в химические реакции присадки защищают системы топливных элементов от двух наиболее агрессивных побочных продуктов: нестабильных частиц, таких как атомы, молекулы или ионы, называемых свободными радикалами, и перекиси водорода.



О результатах своих экспериментов сообщается в научном журнале Nature Energy.
Реза Шахбазиан-Яссар, профессор машиностроения и промышленной инженерии в Инженерном колледже UIC, и его коллеги использовали передовые методы визуализации для исследования реакций с материалом, добавкой, состоящей из наночастиц оксида тантала и титана, которые удаляют и дезактивируют свободные радикалы. Изображение атомных структур с высоким разрешением позволило ученым определить структурные параметры, необходимые для работы добавки.
«В нашей лаборатории мы можем использовать электронную микроскопию для получения высокодетализированных изображений материалов с атомарным разрешением в различных условиях эксплуатации», — сказал соавтор исследования Шахбазиан-Яссар. «Благодаря нашим структурным исследованиям мы узнали, что происходит в атомной структуре добавок, и смогли определить размер и размеры наночастиц-поглотителей, соотношение оксида тантала и титана. Это привело к пониманию правильного состояния сплав в твердом растворе, необходимый для присадки для защиты топливного элемента от коррозии и деградации».
Эксперименты показали, что требуется твердый раствор оксида тантала и титана и что размер наночастиц должен составлять около пяти нанометров. Эксперименты также показали, что требуется соотношение тантала и оксида титана 6:4.
«Соотношение является ключом к свойствам материала наночастиц поглощать радикалы, а твердотельный раствор помогает поддерживать структуру окружающей среды», — сказал Шахбазиан-Яссар.
Эксперименты показали, что, когда материал наночастиц поглотителя был добавлен к реакциям систем топливных элементов, выход пероксида водорода был подавлен менее чем до 2% (снижение на 51%), а затухание плотности тока топливных элементов уменьшилось с 33% до только 3%.

«Топливные элементы являются привлекательной альтернативой батареям из-за их большей дальности действия, возможности быстрой перезарядки, меньшего веса и меньшего объема при условии, что мы сможем найти более экономичные способы выделения и хранения водорода», — сказал Шахбазиан-Яссар. «В этой статье мы сообщаем о подходе, который значительно приближает нас к воплощению в жизнь автомобилей на топливных элементах и других технологий топливных элементов».

Министерство энергетики США, Национальный научный фонд и Наноцентр Мэриленда поддержали исследование.
Материалы предоставлены Университетом Иллинойса в Чикаго

• Хуа Се, Сяохун Се, Госян Ху, Венкатешкумар Прабхакаран, Сулай Саха, Лорелис Гонсалес-Лопес, Абхиджит Х. Пхакаткар, Мин Хонг, Мэйлин Ву, Реза Шахбазян-Яссар, Виджай Рамани, Мохамад И. Аль-Шейхли, Де-эн Цзян, Юянь Шао, Лянбин Ху. Наночастицы Ta–TiOx в качестве поглотителей радикалов для повышения долговечности катализаторов восстановления кислорода Fe–N–C. Энергия природы, 2022; 7 (3): 281 DOI: