В последние годы инженеры разработали все больше альтернативных энергетических решений, которые обеспечивают устойчивое получение электроэнергии из солнечного света, воды, ветра, водорода и других природных ресурсов. Однако для того, чтобы эти технологии полностью заменили существующие энергетические решения, производимая ими энергия должна надежно храниться и распределяться в больших масштабах.
Исследователи из Leibniz-Institut für Katalyse и APEX Energy Teterow GmbH недавно представили новую стратегию, которая может помочь в хранении химической энергии, особенно водорода . В своей статье, опубликованной в журнале Nature Energy , они описывают систему обратимого гидрирования CO 2 в муравьиную кислоту, в которой в качестве гомогенного катализатора используется комплекс Mn-клещи.
«Чтобы преобразовать нашу нынешнюю энергетическую систему в более устойчивую, важно разработать технологии, позволяющие практично и эффективно хранить возобновляемую энергию (ветровую, фотогальваническую и т. д.)», — Матиас Беллер, один из исследователей, проводивших исследование. «Хотя хранение электронов в больших масштабах затруднено, хранить химические энергоносители проще».
В своих предыдущих исследованиях Беллер и его коллеги выдвинули идею о том, что муравьиная кислота (FA), простая карбоновая кислота, которая, как известно, содержится в пчелином яде и других природных материалах , может быть хорошим переносчиком водорода. Они показали, что FA можно получать из CO 2 , а также из того, что известно как «зеленый водород» (то есть водород, полученный путем расщепления воды на водород и кислород с использованием технологии возобновляемых источников энергии).
«Если требуется энергия, FA может быть легко дегидрирован в мягких условиях и обеспечивает электроэнергию по требованию в хорошо зарекомендовавших себя топливных элементах PEM», — пояснил Беллер. «Параллельно с выделением водорода обычно также выделяется CO 2 из-за его газообразной природы. Следовательно, когда вы хотите снова получить водородный носитель, вам снова понадобится углекислый газ».
Новая система гидрирования СО 2 , представленная Беллером, Хенриком Юнге, Петером Спонхольцем и их коллегами, не требует повторного использования СО 2 после завершения первого процесса загрузки. Фактически, его конструкция гарантирует, что CO 2 останется в реакционной среде, что устраняет необходимость в дополнительном количестве CO 2 .
Система исследователей основана на использовании комплекса клещей на основе марганца (Mn) и L-лизина, незаменимой α — аминокислоты.
«Мы были удивлены, обнаружив, что комбинация катализаторов L-лизина и марганца позволяет гидрировать CO 2 в воздухе с чрезвычайно высокой эффективностью», — сказал Беллер. «В этом процессе первоначально аминогруппы L-лизина связываются с СО 2 , образуя так называемое производное карбаминовой кислоты, которое находится в равновесии с соответствующим бикарбонатом. Гидрирование активированного СО 2 приводит к образованию ФК, а при понижении давления водород может быть высвобожден из системы».
Исследователи оценили свою систему в серии тестов и показали, что она дает очень многообещающие результаты. Примечательно, что они обнаружили, что как катализатор Mn, так и L-лизин обладают хорошей стабильностью и могут использоваться повторно много раз. В целом их система достигла общего числа оборотов 2 000 000 для гидрирования CO 2 и 600 000 для дегидрирования FA.
Когда они использовали лизинат калия, исследователи достигли эффективности выделения H 2 выше 80% и удержания CO 2 более 99,9% в течение десяти циклов зарядки и разрядки, без необходимости повторной загрузки CO 2 между этими циклами. Команда также обнаружила, что этот обратимый процесс гидрирования можно значительно увеличить без значительного снижения производительности системы.
«Интересным открытием нашей работы является аналогия между системами хранения водорода и традиционными электрическими батареями», — сказал Беллер. «В типичной перезаряжаемой батарее электроны могут добавляться и высвобождаться в очень мягких (окружающих) условиях. В принципе, то же самое верно и для материалов для хранения водорода, если реакционная система спроектирована соответствующим образом».
В будущем система обратимого гидрирования CO 2 в ЖК, представленная этой группой исследователей, может способствовать более эффективному хранению зеленого водорода. Это может способствовать широкомасштабному внедрению топливных элементов и других устойчивых технологий на основе водорода.
«Для «водородной батареи» мы теперь хотели бы улучшить энергетическое содержание системы, производя метанол вместо FA», — добавил Беллер. «Кроме того, мы хотим повысить практичность такой системы, выполняя этапы зарядки/разрядки автоматически».
