Бескислородная реакция поможет получать энергию в космосе и морских глубинах
Российские ученые доказали, что энергию химической реакции хлоратов с водородом можно использовать для получения электричества. Эффективность такого процесса — более 40%, при этом для его прохождения не нужны кислород и дорогостоящие катализаторы — роль последних выполняют промежуточные продукты. Полученные данные необходимы для разработки источников питания космических аппаратов, подводных лодок и средств индивидуального перемещения под водой, то есть в условиях с недостатком кислорода. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Molecules.
Химические процессы, использующиеся для получения электроэнергии, идут с передачей электронов от одних компонентов реакции другим. Частицы, отдающие электроны, называются восстановителями, а принимающие — окислителями. В качестве последних часто выступает кислород, который легко получить прямо из атмосферного воздуха. Однако в условиях, когда его количество ограничено, например в космосе, подводных пространствах и глубоких шахтах, использование этого вещества невозможно. Окислителями в таком случае могут быть кислородсодержащие соединения хлора, которые по активности сопоставимы с кислородом. В качестве восстановителя выбирают молекулярный водород, так как эффективные системы его хранения в сжатом виде уже разработаны.
Ученые из Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН (Москва) и Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка) доказали, что хлорат-анионы (ClO3-) в сочетании с молекулярным водородом способны генерировать электричество, образуя при этом хлорид-анион (Cl-). Реакцию проводили в электрохимической ячейке, состоящей из двух электродов, через один из которых пропускали газообразный водород, а через другой — хлоратный электролит. Согласно теоретическим расчетам, хлораты, например хлорат натрия (NaClO3), обладают высоким энергетическим потенциалом, а также хорошо растворимы в воде. Это позволяет использовать их концентрированные водные растворы в качестве эффективных окислителей с высокой плотностью энергии — количеством энергии на единицу объема вещества. Кроме того, продуктом реакции является раствор поваренной соли, утилизация которого не вредит окружающей среде.
Авторы установили механизм протекания этой реакции при добавлении кислот. Также они показали, как процесс зависел от внешних условий и развивался во времени. Поскольку хлорат в отсутствие катализаторов малоактивен, процесс начинался после пропускания через ячейку небольшого заряда. По мере прохождения тока в растворе накапливаются другие кислородсодержащие соединения хлора, и ток, генерируемый теперь уже самой системой, нарастает.
Проанализировав оптические спектры раствора хлората в ходе работы устройства, авторы показали, что важную роль среди промежуточных продуктов играет диоксид хлора (ClO2). Он обладает автокаталитической активностью, то есть его накопление увеличивает скорость реакции превращения хлората, что делает ее пригодной для использования в источниках тока. При этом в большинстве экспериментов химическая энергия преобразовывалась в электричество с эффективностью от 40% до 50%. В дальнейшем авторы рассчитывают найти способы повысить эффективность нового источника электроэнергии.
«Идея использовать галогенаты (хлораты и броматы) в источниках тока для бескислородных условий предложена нашим коллегой Юрием Вячеславовичем Толмачевым, однако было необходимо найти способ преодолеть их электрохимическую инертность. Ранее мы решили эту проблему для броматов, а теперь и для хлоратов, совершив настоящий прорыв. Достигнутые нами характеристики хлоратных источников тока открывают перспективы практического использования подобных устройств», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Михаил Воротынцев, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией «Проточные редокс-батареи и электроактивные материалы» ИФХЭ РАН.
«Нам удалось реализовать в лабораторной установке достаточно изящную идею, расширяющую границы применимости "топлива будущего" — газообразного водорода. Мы продемонстрировали возможность использования его химической энергии для генерации электричества без участия атмосферного кислорода. Вместо него окислителем выступают достаточно дешевые и доступные вещества (хлораты металлов в виде водного раствора), ранее считавшиеся непригодными для химических источников тока по причине низкой электрохимической активности. Вместо поиска и применения дорогостоящих катализаторов мы предложили "обходной путь": подобрали условия, при которых хлораты "самоактивируются" за счет катализа промежуточными продуктами их собственной трансформации, среди которых решающую роль играет диоксид хлора», — говорит участник проекта Дмитрий Конев, кандидат химических наук, старший научный сотрудник ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
Текст: Анна Дегтярь