Реакция хлоратов и водорода позволит получать электричество без кислорода
Для получения электроэнергии используют химические реакции, протекающие с передачей электронов от донора (восстановителя) к акцептору (окислителю). В качестве последнего часто используют кислород из атмосферы, однако такой подход не сработает в условиях, где этого газа не так много: в космосе, под водой и в глубоких шахтах.
Ученые из Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина Российской академии наук (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 проводников, контактирующих с растворами заряженных частиц. Хорошо растворимый хлорат выступает эффективным окислителем с высокой плотностью энергии — количеством энергии на единицу объема вещества. Авторы предложили использовать натриевую соль — так в результате получится безопасная поваренная соль.
«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.
Оказалось, что хлораты необходимо лишь немного «подтолкнуть», пропустив через их концентрированный подкисленный раствор электричество. Далее формируется все больше кислородных соединений хлора, которые катализируют реакцию, и ток генерирует сама система.
«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.
Эффективность преобразования в электричество составила 40-50%. В дальнейшем авторы постараются повысить ее.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Molecules.
