На протяжении десятилетий исследователи энергетики пытались решить одну большую проблему: как хранить избыточную электроэнергию, чтобы ее можно было вернуть в сеть, когда это необходимо?
Недавно исследователи из Национальной лаборатории Айдахо помогли решить эту проблему, разработав новый электродный материал для электрохимической ячейки, который может эффективно преобразовывать избыточное электричество и воду в водород. Когда спрос на электроэнергию увеличивается, электрохимический элемент становится обратимым, превращая водород обратно в электричество для сети.
Водород также можно использовать в качестве топлива для отопления, транспортных средств или других приложений.
Результаты появились в Интернете на этой неделе в журнале Nature Communications.
Исследователи давно осознали потенциал водорода в качестве носителя для хранения энергии, – сказал Дун Дин, старший инженер / ученый и руководитель группы химической обработки в INL.
«Грандиозная задача по хранению энергии с ее разнообразными потребностями в исследованиях и разработках открыла новые возможности для водорода», – сказал Дин. "Мы ориентируемся на водород в качестве промежуточного звена для эффективного хранения энергии."
Дин и его коллеги улучшили один тип электрохимической ячейки, называемой протонно-керамической электрохимической ячейкой (PCEC), которая использует электричество для разделения пара на водород и кислород.
Однако в прошлом у этих устройств были ограничения, особенно тот факт, что они работали при температурах до 800 ° C. Высокие температуры требуют дорогих материалов и приводят к более быстрой деградации, что делает электрохимические ячейки непомерно высокой.
В своей статье Динг и его коллеги описывают новый материал для кислородного электрода – проводник, который способствует одновременному расщеплению воды и реакциям восстановления кислорода. В отличие от большинства электрохимических ячеек, этот новый материал – оксид соединения, называемого перовскитом, – позволяет ячейке преобразовывать водород и кислород в электричество без дополнительного водорода.
Ранее Дин и его коллеги разработали трехмерную сетчатую архитектуру для электрода, которая делала большую площадь поверхности доступной для разделения воды на водород и кислород. Вместе две технологии – трехмерный сетчатый электрод и новый электродный материал – позволили обеспечить автономную обратимую работу при температуре от 400 до 600 ° C.
«Мы продемонстрировали возможность обратимой работы PCEC при таких низких температурах для преобразования генерируемого водорода в режиме гидролиза в электричество без какой-либо внешней подачи водорода в автономном режиме», – сказал Дин. "Это большой шаг для высокотемпературного электролиза."
В то время как прежние кислородные электроды проводили только электроны и ионы кислорода, новый перовскит обладает «тройной проводимостью», сказал Дин, что означает, что он проводит электроны, ионы кислорода и протоны. На практике электрод с тройной проводимостью означает, что реакция происходит быстрее и эффективнее, поэтому рабочая температура может быть снижена при сохранении хороших характеристик.
Для Динга и его коллег задача заключалась в том, чтобы выяснить, как добавить элемент к материалу перовскитного электрода, чтобы придать ему свойства тройной проводимости – процесс, называемый легированием. «Мы успешно продемонстрировали эффективную стратегию легирования для разработки хорошего оксида с тройной проводимостью, который обеспечивает хорошие характеристики элементов при пониженных температурах», – сказал Ханьпин Дин, материаловед и инженер группы химической обработки Национальной лаборатории Айдахо.
В будущем Донг Дин и его коллеги надеются продолжить совершенствование электрохимической ячейки, сочетая инновационные материалы с передовыми производственными процессами, чтобы эту технологию можно было использовать в промышленных масштабах.