Новые катализаторы для металл-воздушных батарей: прорыв в хранении энергии

Исследователи разработали простой плазменный метод для получения композитных материалов, способных революционизировать металл-воздушные батареи. Этот прорыв открывает путь к более доступным и эффективным решениям для хранения энергии, особенно в сфере транспорта.

На фоне глобального кризиса, вызванного чрезмерным использованием ископаемого топлива, поиск передовых решений в области чистой энергетики приобретает особую актуальность. Металл-воздушные батареи представляют собой перспективную альтернативу, способную заменить двигатели внутреннего сгорания во многих областях применения.

Эти батареи работают за счет электрохимического преобразования кислорода из воздуха в энергию, обладая теоретической плотностью энергии, в двенадцать раз превосходящей литий-ионные аналоги. Они обеспечивают беспрецедентную эффективность при полном отсутствии выбросов в процессе эксплуатации.

Препятствия на пути к массовому внедрению металл-воздушных батарей

Несмотря на впечатляющий теоретический потенциал, металл-воздушные батареи пока не получили широкого коммерческого распространения из-за ряда существенных проблем. Современные высокоэффективные катализаторы часто опираются на дорогостоящие драгоценные металлы, такие как платина и рутений, что делает их экономически нецелесообразными для массового производства и крупномасштабного развертывания.

Кроме того, большинство существующих каталитических материалов являются монофункциональными, то есть они эффективно стимулируют только одну из двух ключевых электрохимических реакций: реакцию восстановления кислорода (ORR) или реакцию выделения кислорода (OER), но не обе одновременно.

Эти сложности усугубляются тем, что для синтеза катализаторов требуются многоступенчатые и трудоемкие процессы, что увеличивает производственные затраты и серьезно ограничивает масштабируемость.

Инновационные исследования решают проблемы катализаторов

В этом контексте команда исследователей под руководством профессора Такахиро Исидзаки из Инженерного колледжа Университета Шибаура (Япония) и доцента Сангву Чаэ из Университета Нагои (Япония) активно работает над поиском адекватных решений указанных проблем.

В своем последнем исследовании, опубликованном в журнале Sustainable Energy & Fuels, они представили революционный одностадийный метод создания высокоэффективных бифункциональных катализаторов с использованием доступных и недорогих материалов.

Исследователи применили недавно разработанный процесс плазменного синтеза растворов (SPP) для получения композитов гидроксида кобальта-олова (CoSn(OH)6), закрепленных на различных углеродных носителях. Это принципиально отличается от традиционных методов синтеза катализаторов: в отличие от многоступенчатых процессов, требующих поверхностно-активных веществ и обширной последующей обработки, SPP обеспечивает быстрый одностадийный синтез при комнатной температуре в условиях атмосферного давления.

Этот плазменный подход не только придает уникальные поверхностные свойства, значительно повышающие каталитическую активность, но и существенно упрощает производственную цепочку и снижает затраты.

Команда систематически получала катализаторы с различными составами и углеродными структурами, тщательно тестируя их бифункциональную производительность в реакциях восстановления кислорода (ORR) и выделения кислорода (OER) — двух ключевых процессах, определяющих общую эффективность батареи.

Наиболее эффективный катализатор, сочетающий CoSn(OH)6 с углеродным материалом Ketjen Black, продемонстрировал выдающиеся результаты. В реакции выделения кислорода он превзошел стандартный промышленный катализатор оксида рутения, требуя более низкого напряжения для достижения той же плотности тока. В реакции восстановления кислорода он показал производительность, сравнимую с гораздо более дорогими катализаторами на основе платины, при этом используя только доступные материалы.

Профессор Исидзаки отмечает: «Наш усовершенствованный композит CoSn(OH)6–Ketjen Black продемонстрировал исключительную долгосрочную стабильность, сохраняя свои превосходные характеристики в реакции выделения кислорода более 12 часов без деградации, что является критически важным фактором для реального применения в батареях».

Примечательно, что способность катализатора эффективно катализировать обе необходимые реакции представляет собой значительный прогресс в данной области. Исследователи измерили разницу потенциалов всего в 0,835 В между двумя реакциями, что обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии. Эта двойная функциональность устраняет необходимость в отдельных катализаторах, дополнительно снижая сложность системы и затраты.

Детальный анализ подтверждает, что превосходная каталитическая производительность обусловлена мощным синергетическим взаимодействием между наночастицами (CoSn(OH)6) и углеродным носителем.

Исследователи обнаружили, что процесс синтеза SPP является ключевым: он обеспечивает равномерное распределение активных наночастиц по поверхности углерода, максимизируя экспозицию каталитических центров и одновременно гарантируя превосходную электропроводность.

Более того, метод позволяет точно контролировать размер частиц и важные поверхностные свойства, что дает возможность систематически оптимизировать каталитическую активность.

«Этот прорыв обладает огромным потенциалом для индивидуализации и производства высокопроизводительных, долговечных и недорогих бифункциональных электрокатализаторов для критически важных систем преобразования энергии», — подчеркивает профессор Исидзаки. «Он предлагает поистине устойчивую альтернативу коммерчески используемым катализаторам на основе драгоценных металлов».

Последствия для хранения энергии и промышленности

Последствия этой работы далеко идущие и обещают революцию во всей энергетической отрасли. Металл-воздушные батареи, работающие на этих новых катализаторах, могут коренным образом изменить хранение энергии для электромобилей, обеспечивая значительно больший запас хода и более быструю зарядку при одновременном снижении общих затрат.

Кроме того, технология обладает огромным потенциалом для крупномасштабного хранения энергии, что имеет решающее значение для эффективной интеграции нестабильных возобновляемых источников, таких как солнечная и ветровая энергия, в электрические сети.

Предложенный одностадийный метод синтеза предлагает столь же глубокие промышленные преимущества. Устраняя сложные многостадийные процессы и зависимость от дорогостоящего сырья, производители могут выпускать эти высокоэффективные катализаторы по значительно более низкой цене по сравнению с текущими затратами.

Более того, возможность синтеза этих материалов в обычных условиях значительно снижает энергопотребление и воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционными высокотемпературными и высоконапорными методами, используемыми в настоящее время в производстве батарей и катализаторов.

В целом, это исследование представляет собой критически важный и преобразующий шаг на пути к достижению экономически эффективного хранения чистой энергии в глобальном масштабе, что готово значительно ускорить необходимый переход от ископаемого топлива в секторах транспорта и энергетики.