Почему автомобили еще не уступили место электромобилям, и как скоро это произойдет? Какую роль в этом сыграет водород, и что должно заставить его эффективнее работать в эко-двигателях? Есть ли шанс у химиков Южного федерального университета внести свою лепту в развитие мирового производства водородного транспорта?

Во всем этом попытались разобраться участники заседании Профессорского клуба ЮФУ вместе с профессором кафедры электрохимии, руководителем гранта Российского научного фонда, профессором В. Е. Гутерманом.

Электромобили на старте

На этот раз мир замер в ожидании самой безопасной «бомбы» – бума в производстве водородных электромобилей. Если это случится, то традиционный автопром в том качестве, в котором он существовал с конца позапрошлого столетия, уйдет в историю. Предпосылки к такому сценарию имеются серьезные. Как рассказал Владимир Гутерман, Бундестаг Германии уже объявил о прекращении выпуска бензиновых автомобилей к 30-м годам. Так немецкие власти стараются подстегнуть начало новой электромобильной эры. Прекрасные образцы авто с водородными двигателями демонстрируют Toyota, BMW и Hyundai.

Седан Honda Clarity Fuel Cell/Clarity FC способен преодолеть на одной полной заправке 589 километров. На сегодня это лучший показатель среди всех машин с нулевыми выбросами вредных веществ. Показатель автомобиля Toyota Mirai FCV – 516 километров, Tesla Model S P100D – 506, Chevrolet Bolt – 383.

Есть идругие успешные примеры водородного транспорта. В декабре 2017 года в Германии должен быть запущен первый поезд на водороде. А Россия отметилась в гонке водородных ноу-хау, создав очередную инновацию для военпрома. Отечественные беспилотники на водородном топливе уже стали на вооружение российских ВВС.

Международное энергетическое агентство (МЭА) считает, что возобновляемая энергетика останется наиболее быстрорастущим источником электроэнергии, а ее глобальная доля к 2021 году возрастет с 23 до 28 процентов. Прогнозируется, что к этому времени средние затраты в солнечной электроэнергетике снизятся на 25 процентов, а в производстве наземной ветряной энергии — на 15.

В нынешнем веке подверглись переосмыслению не только вопросы получения энергии, но и ее хранения и транспортировки. Нужно ли вообще ее транспортировать? Это сложно и неэкономично, особенно в случае с подвижными потребителями энергии – различными видами транспорта. Не лучше ли отдать предпочтение «материалам-хранителям», способным при необходимости выдавать энергию в процессе химических реакций?

Традиционная нефтегазовая энергетика строится на эксплуатации подходящих носителей энергии – природного сырья, содержащего углерод. Энергетика нового пути предлагает использовать возможности электрохимических преобразователей энергии. Ими могут быть батареи однократкого использования, перезаряжаемые аккумуляторы либо топливные элементы.

Главная надежда современной энергетики – водород. Он обладает неоспоримыми достоинствами: высокие значения удельной энергии, экологичность (единственным побочным продуктом его сгорания является вода), высокая текучесть, обеспечивающая удобство транспортировки и малые потери. И что особенно важно: электрохимические реакции водорода достаточно обратимы.

Сегодня одним из основных потребителей энергии и ключевым источником загрязнений является транспорт. При этом, КПД городского транспорта с бензиновым двигателем не достигает и 30 процентов. А электротранспорта – от 45 до 75. Выбор вроде бы очевиден. Однако кажется, что добыть водород для использования в автомобилях не так-то просто.

Технологии производства водорода весьма разнообразны. Наиболее распространен метод парового риформинга. Пар смешивают с природным газом, затем нагревают до определенной температуры и добавляют катализатор (например, никель). В результате получается водород и смесь углекислого газа с ядовитым моноксидом углерода. К сожалению, этот способ никак нельзя назвать безвредным. Еще не ясно что хуже: паровой риформинг или обыкновенные выхлопные газы. Поэтому ученые активно работают над совершенствованием всевозможных «зеленых» методов.

Возможно, вы слышали, что в достаточно простых условиях водород получают из водорослей. Вот как это происходит. Подводная флора ведет себя по-разному в зависимости от химического состава среды. Если не хватает кислорода и серы, процесс фотосинтеза сменяется активным выбросом водорода. Этим эффектом решила воспользоваться группа дизайнеров из Филадельфии, создавшая проект системы экологичных и эстетичных водородных заправок для столицы Исландии. Задумка работы: украсить Рейкьявик гигантскими надувными баллонами на высоких шестах, где в отсутствии света будут «мучиться» водоросли, производя ценный продукт. Процесс наполнения одного такого пузыря должен занимать примерно 10 дней. Этого объема водорода, по идее, будет хватать на недельное обеспечение топливом 12-ти автомашин. Неплохо? Ну, допустим. А что дальше? Как заставить водород давать энергию для движения?

Тут нам придется столкнуться с вопросом топливного элемента – устройства превращения химической энергии в электрическую. Оно способно действовать непрерывно и долговременно, но во время работы требует постоянного подвода реагирующих веществ и отвода продуктов реакции.

На практике топливный элемент работает так: молекулы водорода и кислорода претерпевают превращения на аноде и катоде, образуя воду и порождая при этом электрический ток. Вода – единственный побочный продукт этого процесса, не представляющий никакой опасности для окружающей среды. Если соединить несколько топливных элементов, то получается генератор, обеспечивающий работу электромотора.

Теоретически химический источник тока можно построить на основе любой окислительно-восстановительной (токообразующей) реакции. Но в реальности круг используемых веществ ограничивается специфическими требованиями к электродным материалам: значением напряжения, удельныой емкостью окислителя и восстановителя, удельной мощностью, приемлемой стоимостью, экологичностью, безопасностью, сохранностью. В итоге оказывается, что подходящих веществ совсем немного. Поэтому в низкотемпературных топливных элементах (t < 200 ^oC) в роли топлива обычно используются водород, реже – метанол.

На данный момент учеными мира исследованы более 500 перспективных электрохимических систем, 40-50 из них доведены до стадии практической реализации. Наиболее известные: аккумуляторы на основе свинца (Pb – PbO₂), кадмия и оксида никеля (Cd – NiOOH), первичные батареи на основе цинка и диоксида марганца (Zn – MnO₂), цинка и оксидов ртути (Zn – HgO) или серебра (Zn – AgO). Это традиционные источники тока с водным электролитом. Бурно растет производство более сложных, но и более мощных литий-ионных аккумуляторов с неводным или полимерным электролитом.

Скорость окисления топлива и восстановления кислорода зависят от материала электрода (электрокатализ). Ученым давно известно, что идеальным материалом для катализатора может служить платина. На ней скорость окислительно-восстановительных реакций в тысячи раз выше, чем на других металлах.

Конечно, определение «идеальный» к драгметаллу не совсем подходит: сделанный из него катализатор выходит в буквальном смысле «золотым». Однако оказалось, что сплавы платины могут работать даже более эффективно, чем чистое вещество. Хорошие результаты получены для различных по структуре и составу сплавов платины с рутением, хромом, никелем, кобальтом, железом, ванадием, рением.

Другая научная хитрость – искусственное увеличение площади поверхности катализатора. Платину используют в «раздробленном» виде, размещая ее на электроде в виде отдельных, но электрически связанных между собой наночастиц. С ростом числа наночастиц увеличивается площадь их граней, а значит и общая площадь катализатора. Но когда этот способ был придуман и апробирован, стало понятно, что не все грани нанокристаллов дают одинаковый вклад в электрохимическую реакцию, и даже не все наночастицы. Чтобы добиться активности от каждой, их нужно специфическим образом расположить, создав определенную структуру. При этом на скорость реакции оказывает влияние и форма частиц. То есть, чтобы реакция шла как можно лучше, необходимо учесть и выполнить целый ряд условий.

Поиском эффективных моделей структуры, оптимизацией размера и контролем формы наночастиц платины занялись специалисты кафедры электрохимии ЮФУ – молодой коллектив лаборатории «Новые материалы для электрохимической энергетики» под руководством Владимира Гутермана. В 2006 году стартовал проект, посвященный получению и исследованию новых наноматериалов, перспективных для электрохимической энергетики. Ответственность за финансирование работ взяли на себя ЮФУ, Российский фонд фундаментальных исследований, а также частные инвесторы. С 2016 года проект поддержан Российским научным фондом.

В перспективе проект нацелен не только на синтез платиносодержащих нанокатализаторов для топливных элементов, но и на поиск бесплатиновых – на основе соединений никеля, кобальта, железа. В спектр задач исследователей входит разработка методов синтеза и способов управления процессами образования – роста металлических кластеров.

Ученые ЮФУ подключили к сотрудничеству коллег из Института проблем химической физики РАН в Черноголовке и Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М. И. Платова. Серьезный интерес к проекту проявили компания Samsung SDI (Южная Корея) и Университет Тунцзи (Китай). Также активное участие в работах приняли сотрудники кафедр нанотехнологий, теоретической и вычислительной физики ЮФУ и НИТУ «МИСиС».

Как заставить платину работать с максимальной отдачей? Сплав – достаточно действенный, но не самый эффективный вариант, так как в нем атомы легирующего компонента постепенно «покидают» наночастицы платины. Не лучше ли заключить частицы металлов в платиновую оболочку? Тогда химические превращения будут протекать на поверхности каталитически активной платины, а внутренняя, «неработающая» часть нанокристаллов будет состоять из атомов гораздо более дешевого металла. В качестве «начинки» для платиновой оболочки специалисты ЮФУ решили применить медь. Оболочка из атомов драгметалла наращивалась на медные «ядра» с помощью специальной обработки.

Еще один выигрыш удалось получить, подобрав грамотный способ воздействия на размер частиц платины. Установлено, что характеристики синтезируемых катализаторов зависят от состава атмосферы. Так, в воздушной и аргоновой среде образуются крупные наночастицы, а в атмосфере монооксида углерода – маленькие, наиболее оптимальные. Воспользовавшись новым способом синтеза, научный коллектив смог добиться впечатляющего результата: площадь поверхности одного грамма платины в катализаторе достигла 150 м².

На данный момент катализатор, разрабатываемый в ЮФУ, превосходит зарубежные аналоги и по площади поверхности, и по каталитической активности. Однако все весьма неоднозначно. «Дело в том, что все характеристики катализатора находятся во взаимозависимости, - объясняет В. Е. Гутерман. – И возможно, наращивая площадь и увеличивая активность, катализатор теряет в стабильности. Поэтому ключевая задача: создать такой катализатор, в котором улучшение одних свойств, как минимум, не будет ухудшать другие».

Работа ЮФУ – одна из множества научных проектов, посвященных решению проблемы наиболее эффективного водородного двигателя. Мозговой штурм ведется в десятках научных центров мира. И не исключено, что прямо сейчас, пока вы читали этот текст, кому-нибудь выпала удача найти самый простой и оптимальный рецепт использования скрытой силы водорода. А может быть, на это уйдет еще не один год. Процесс создания водородного топливного элемента зависит от столь большого числа факторов, что шансы на коммерческий успех того или иного проекта с уверенностью предсказать нельзя. Но это не значит, что в этой научной гонке не стоит участвовать.

Еженедельник науки и образования «Академия» N 38 (10.12.2016)