"Двуликие" наночастицы-реактивные микродвигатели увеличат эффективность водородных топливных элементов - «Наука и технологии»

Водородные топливные элементы - это многообещающая технология для экологически чистых автомобилей, единственным продуктом работы которых является чистая вода. Но вся привлекательность этой технологии, которая позиционируется в качестве замены двигателей внутреннего сгорания, пока еще перечеркивается проблемами, связанными с хранением газообразного водорода. Однако, существует методы производства газообразного водорода прямо в системе автомобиля, и недостаточная эффективность таких методов может быть увеличена до приемлемого уровня путем использования реактивных микродвигателей, в роли которых выступают специальные "двуликие" наночастицы.

Водородные топливные элементы работают, сжигая на катализаторе водород при помощи поступающего из атмосферы кислорода, вырабатывая при этом электрическую энергию и водяной пар. Вместо того, чтобы хранить газообразный водород в больших резервуарах высокого давления, некоторые ученые предлагают использовать жидкие концентрированные растворы содержащих водород солей, таких, как борогидрид натрия, которые выделяют водород под воздействием металлического катализатора.

Большинство таких катализаторов, используемых для извлечения водорода из растворов солей, изготавливаются в виде наночастиц или очень тонких пленок. Но скорость и эффективность извлечения водорода в таких системах ограничены дезактивацией катализаторов из-за плохого перемешивания раствора и накопления на поверхности катализатора побочных продуктов каталитической реакции.

Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего решили вышеописанную проблему при помощи специальных наночастиц, размером около 20 микрон, которые действуют как реактивные микродвигатели. Эти частицы, получившие название "частиц Януса" в честь двуликого римского божества, имеют две части, одна из которых изготовлена из платины, обладающей высокими каталитическими свойствами, а вторая - из нейтрального титана.

Когда эти частицы погружаются в раствор борогидрида натрия, платиновая сторона частицы вступает в бурную реакцию с молекулами водородосодержащей соли, а сторона, покрытая титаном, остается бездействующей. Водородный "выхлоп" с платиновой стороны заставляет частицу двигаться в жидкости со скоростью около 250 микрометров в секунду.

Беспорядочно движущиеся частицы способствуют быстрому перемешиванию раствора борогидрида натрия, что обеспечивает постоянный приток к их каталитической поверхности не израсходовавших еще водород молекул солей. Кроме этого, постоянное движение частиц не дает нерастворимым продуктам каталитической реакции укрепиться на поверхности платиновой стороны, снижая площадь ее рабочей поверхности, что поддерживает всегда максимальную эффективность работы катализатора. В результате такого подхода топливный элемент в "двуликими" частицами выделяет в девять раз больше водорода, нежели топливный элемент с обычным статичным катализатором.

Исследователи продемонстрировали работоспособность разработанной ими технологии на игрушечном автомобиле с водородным топливным элементом, приведенным в действие "частицами Януса". Но на нынешнем уровне развития технологий ничто не мешает использовать подобный подход и для приведения в действие топливных элементов обычных водородных автомобилей.