Разработка безмембранных щелочных спиртовых топливных элементов на основе двух несмешивающихся жидкостей с использованием наноструктурированных биметаллических и триметаллических катализаторов на металлических и углеродных носителях

Разработка автономных источников питания имеет большое значение для нужд электроники, беспроводных сенсорных сетей, используемых в удаленных местах, медицины и других отраслей промышленности и привлекает в последние годы особо пристальное внимание исследователей и производителей. Особый интерес во всем мире в последние годы вызывают топливные элементы, работающие с использованием различных спиртов в качестве топлива. Данные топливные элементы могут удовлетворять потребности в энергии как небольших портативных устройств, так и приложений с низким потреблением энергии. Сравнительный анализ предложенных на сегодняшний день конструкций показал, что, в целом их характеристики уже достигли, а в ряде случаев, превзошли уровни сопоставимых технологий. Для дальнейшего промышленного освоения данных элементов необходимо решить проблемы, связанные с эффективностью использования топлива и снижением стоимости материалов, используемых в качестве катализаторов. Этанол является возобновляемым и перспективным топливом, поскольку его можно производить в больших количествах из биомассы, и он менее токсичен, чем метанол. Однако его полное окисление до CO2 является более трудным, чем окисление метанола, из-за трудности разрыва связи C-C и образования промежуточных соединений СО, которые отравляют катализаторы. Для преодоления этого ограничения необходимы более эффективные катализаторы, обладающие высокой активностью, селективностью и стабильностью Предлагаемый нами проект ориентирован на разработку безмембранных щелочных спиртовых топливных элементов использующих наноструктурированные биметаллические и триметаллические катализаторы на металлических и углеродных носителях. В результате его выполнения мы планируем предложить безмембранный топливный элемент в котором в качестве топлива будет использоваться этиловый спирт. Ранее нами, в ходе выполнения работ по гранту РФФИ № 19-58-60002 "Новый тип безмембранных топливных элементов на основе несмешивающихся жидкостей, предназначенный в основном для возобновляемого топлива" был проведен выбор несмешивающихся жидкостей для безмембранных топливных элементов на основе систем «вода - низший спирт - гидрофобная ионная жидкость», в которых граница раздела фаз играет роль мембраны. Определены параметры системы при которых происходит ее расслоение на две несмешивающиеся фазы:верхнюю спиртовую фазу и нижнюю щелочную. Показано, что использование этанола в качестве возобновляемого топлива дает наиболее высокую плотность энергии по сравнению с этиленгликолем, глицерином, метанолом и др. Выявлено, также что в сильно щелочных электролитах энергетический барьер на пути кислородной реакции снижен по сравнению с кислыми электролитами, что позволяет использовать новые материалы в качестве катализаторов и существенно сократить применение платины и палладия. Был исследован ряд материалов для использования их в качестве анодных и катодных катализаторов и определена принципиальная возможность их использования в данной системе. Установлены механизмы окисления этилового спирта на данных катализаторах в предложенном безмембранном топливном элементе. Подана заявка на патент РФ. Использование системы двух несмешивающихся жидкостей с упором на каталитические характеристики наноструктурированных биметаллических и триметаллических катализаторов на металлических и углеродных носителях обеспечит уникальный подход и приведет к новым знаниям, позволяющим приблизиться к решению существующей научной проблемы. Сточки зрения фундаментальной науки данный проект поможет решить важную научную проблему связанную с пониманием механизма кинетических ограничений на поверхностях наноструктурированных катализаторов на металлических и углеродных носителях, что позволит обеспечить полный контроль над процессом. В прикладном аспекте, работа позволит приблизиться к получению коммерчески выгодных портативных источников питания, что имеет особое значение для нужд электроники; беспроводных сенсорных сетей, медицины и других отраслей промышленности. Предполагается, что полученные топливные элементы составят конкуренцию мембранным и безмембранным проточным микрофлюидным топливным элементам вследствие своей уникальности, надежности и коммерческой доступности. Данное исследование внесет существенный вклад в развитие теории топливных элементов, использующих возобновляемое топливо. Полученные фундаментальные данные будут использованы при разработке образца конкурентоспособного и коммерчески привлекательного безмембранного топливного элемента на основе возобновляемых ресурсов для промышленного применения.