Инженеры-технологи нашли альтернативный катализатор для микробных топливных элементов

Инженеры из университета Милуоки (штат Висконсин, США) обнаружили катализатор, который обеспечивает тот же уровень производительности в микробных топливных элементах, что и платиновый, но при этом  в двадцать раз дешевле. 

Поскольку 60% инвестиций в разработку микробных топливных элементов уходит на покупку платины, открытие альтернативных катализаторов может привести к существенному удешевлению процесса преобразования энергии и появлению недорогих устройств ее хранения.

Согласно заявлению ученых, новый материал – железо-углеродные наностержни, обогащенные азотом – вполне может заменить платиновый катализатор, используемый в производящих водород микробных электролитических ячейках, которые используют органические вещества для создания альтернативы ископаемым видам топлива.

 «Топливные элементы способны преобразовывать топливо непосредственно в электричество, - отмечает профессор Цзюнь Хун Чен, создавший нанострежни и протестировавший их совместно с доцентом Чжэнь Хэ. – Электричество, получаемое из возобновляемых источников энергии, может быть передано куда и когда угодно – эффективным и экологически безопасным путем».

Исследователи также обнаружили, что наностержневые катализаторы превосходят по эффективности графеновые аналоги, разработанные другими специалистами. Как сообщается, ученые провели испытания трех разновидностей топливных элементов и выяснили, что за 6-месячный период производительность наностержней была стабильно выше, чем у других катализаторов.

Наностержни оказались стабильными и масштабируемыми – однако, по словам Чена, необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, насколько просто можно будет наладить их массовое производство. Также ученым еще предстоит точно определить процесс взаимодействия веществ, который влияет на производительность наностержней. 

Высвобождаяэлектроны

Микробные топливные элементы производят электричество, удаляя органические загрязнители из отработанной воды. На положительном электроде топливного элемента – аноде – колонии бактерий поглощают органические вещества, высвобождая электроны, которые образуют ток в процессе разрушения примесей.

На катоде протекает самая важная реакция – окислительно-восстановительная. Платина замедляет этот процесс, повышая эффективность топливного элемента. Основная сложность заключается в стоимости этого металла.

Микробные электролитические ячейки схожи с микробными топливными элементами, но вместо электричества они производят водород. Помимо поглощения микроорганизмов на аноде, в электролитических ячейках происходит также разложение органической материи и платины в результате каталитического процесса на катоде.

Наностержни, разработанные профессором Ченом и доцентом Хэ, объединяют в себе лучшие характеристики реакционноспособных материалов. Они представляют собой покрытые азотом углеродные стержни с сердцевиной из карбида железа.

Эффективность азота при усовершенствовании углеродного катализатора уже хорошо известна. Карбид железа, также известный своими каталитическими свойствами, взаимодействует с углеродом на поверхности стержня, обеспечивая взаимосвязь с сердцевиной. Кроме того, уникальная структура материала является оптимальной для передачи электронов, необходимой для протекания окислительно-восстановительной реакции. 

Когда наностержни испытывались в микробных электролитических ячейках, они оказались более эффективными, чем катализаторы на основе графена. И все же они не достигали производительности платины.

«Тем не менее, наши исследования доказывают, что железо-углеродные наностержни могут найти более широкое применение, чем графен, - утверждает Хэ. – Мы также начинаем понимать, почему наностержни ведут себя по-другому в микробных электролитических ячейках».

Отдельные отрывки из работы сотрудников университета Милуоки были опубликованы в журналах «NanoEnergy» и «AdvancedMaterials».

TheEngineer, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.theengineer.co.uk/sectors/energy-and-environment/news/engineers-identify-alternative-catalyst-for-microbial-fuel-cells/1013076.article