תאי דלק ואנרגיות אנרגיה נקיות

תאים דלק מייצגים את אחת הטכנולוגיות המבטיחות ביותר להמיר אנרגיה כימית לחשמל עם יעילות גבוהה ופליטות נמוכות.בניגוד למנועי הבעירה, תאי הדלק מייצרים חשמל באמצעות תגובות אלקטרו-כימיות, בדרך כלל מעורבים מימן וחמצן, עם מים וחום ככל שהמוצרים היחידים.כמו שמערכת האנרגיה העולמית נעה הרחק מדלקים מאובנים, תאי דלק הם מופרסים בתחבורה, ייצור חשמל נייח, ואימוץ אלקטרוניקה נייד, יעילות נרחבת של תאים בטווח הארוך, אשר ניתן לשנות את יעילותם של 1Fvative, כמו שיפור משמעותי, כלומר שיפור משמעותי, כלומר, כלומר שיפור יעיל יותר ויותר, כלומר: 1.

מאמר זה בוחן כיצד תכונותיו הייחודיות של גרפן – מהמבנה האטומי שלו להתנהגות האלקטרונית שלו – רתמו לשיפור זרזי תאי הדלק, קרום ואלקטרודות.על ידי הבנת המדע שמאחורי התקדמות אלה, אנו יכולים להעריך טוב יותר את התפקיד גרפן עשוי לשחק בדור הבא של מערכות אנרגיה נקייה.

כיצד תאי דלק עובדים: קיצור של Primer

כדי להעריך את ההשפעה של גרפן, חיוני להבין את הניתוח הבסיסי של תא דלק.תא דלק מורכב מ aode, קטוודה, ו אלקטרוליט המאפשר תחבורה ion. at the aode, דלק כגון מימן הוא חמצון, שחרור אלקטרונים ופרוטונים. האלקטרונים לזרום דרך מעגל חיצוני, ייצור חשמל, בעוד פרוטונים עוברים אלקטרון, בעוד הנטומנטים עוברים דרך אלקטרון לדלקת אלקטרונים, ומשלבים.

ישנם סוגים מסוימים של תאי דלק, מכובדים על ידי חומר אלקטרוליטי שלהם טמפרטורה הפעלה.הנפוץ הנפוץ ביותר הוא ה-FLT:0proton Exchange membrane דלק (PEMFC)irFLT:1, אשר משתמש זרז פולימרן מוצק ופועל בטמפרטורות נמוכות (כ 60-80 מעלות צלזיוס) , pEMFCs לטובת יישומי רכב בשל עיצוב קומפקטי ומהיר שלהם.

גרפן: מבנה ונכסים שחשובים לתאי דלק

Graphene הוא שכבה אחת של אטומי פחמן מסודרים בלחיצות דבש דו-ממדית. המאפיינים יוצאי הדופן שלו נובעים מהמבנה הייחודי הזה:

  • (FLT:0) מוליכות חשמלית גבוהה: 1FLT:1 Graphene יש ניידות אלקטרו-זמנית של חדר מעל 200 ס"מ / V-s, הרבה יותר גבוה מזה של נחושת או סיליקון.זה מאפשר העברה מהירה מטען בתגובות אלקטרו-כימיות.
  • (FLT:0)Large שטח משטח ספציפי: FLT:1 גרם יחיד של גרפן יכול להיות שטח על פני השטח של עד 2,630 מ"2, המספק נדל"ן בשפע עבור טעינה זרז אתרי תגובה.
  • כוח וגמישות:0 (FLT:1 Graphene) הוא כ 200 פעמים חזק יותר פלדה עדיין נשאר גמיש מאוד, המאפשר מבנים אלקטרודה עמידים ותואמים.
  • יציבות:0Chemical יציבות: 1FLT:1 , ⁇ הפחמן עמיד לסביבות קורוזיות רבות, יתרון קריטי בתנאי הפעלה של תאי דלק.
  • (FLT:0) כימיה פני השטח:FLT:1 Graphene יכול להיות פונקציונלי עם heteroatoms (למשל, חנקן, בורון) או מעוטר nanoparticles מתכת כדי להתאים פעילות קטליטית.

תכונות אלה להפוך גרפן אבן בניין אידיאלי עבור רכיבי תא דלק.עם זאת, יישום מעשי של גרפן דורש סינתזה זהירה -methods כגון זיהום עץ כימי (CVD), exfoliation נוזלי-phase, או צמצום של תחמוצת גרפן (GO) כל אחד לייצר חומרים עם פגום שונים וקבוצות פונקציונליות.

Graphene in Fuel Cell Catalysts: The Greatest Impact

החלפת או צמצום פלטינום

פלטינום הוא זרז האינדקס עבור התגובה של חמצון מימן (HOR) ב aode ואת התגובה הפחתת החמצן (ORR) בקטודה.אבל המחסור שלו (ייצור גלובלי קצב -180 טון) ועלות גבוהה ( $30-50 לגרם) מגבילה באופן חמור את יכולת הפחתת תאי הדלק.

Graphene משמש תמיכה יוצאת דופן עבור חלקיקים פלטינה, מטפל מגבלות מפתח:

  • שטח פני השטח הגדול שלה מאפשר פיזור גבוה של חלקיקים זרז, צמצום עומס הפלטינה הנדרש.
  • מוליכות גבוהה שלה מאפשרת תחבורה אלקטרונית בין זרז אלקטרודה.
  • אינטראקציה חזקה עם חלקיקים מתכת מונעת הדבקה וניתוק, שיפור עמידות.

מחקרים הראו כי חלקיקים פלטינה מעוגן על תחמוצת גרפן מופחתת (rGO) להציג עד שלוש פעמים פעילות המונית גבוהה יותר עבור ORR בהשוואה לתומכת פחמן שחור קונבנציונלית.

Metal Catalysts

מעבר להפחתה של הפלטינה, גרפן מאפשר זרז ללא הפלטינה לחלוטין. Nitrogen-doped גרפן נחקר נרחב כזרז ללא מתכת ORR. על ידי החלפת אטומי פחמן עם חנקן בגרפן לטירס, המבנה האלקטרוני משתנה, יצירת אתרים פעילים להפחתת חמצן.מתכת-אורגנית חומרים, כגון חומרים כגון ברזל-ניטרוגן פחמן (N-C) אשר השיגו פעילות מדיה מורכבת של גרף אונקיה.

לדוגמה, חוקרים ב-FLT:0) האגודה הכימית האמריקנית ל-FLT:1 דיווחו על היברידית של Fe-N-C/graphene, אשר סיפקה פוטנציאל של חצי גלי של 0.88 V מול RHE, רק 30 מ"מ נמוך יותר מ- Pt/C המסחרי, עם יציבות ארוכת טווח גבוהה יותר, תוצאות כאלה מציעות כי זרזים שאינם מסוכנים יכולים להחליף פלטינה, באופן דרמטי, להפחית את עלויות הדלק.

Catalyst Stability ו- Anti-הרעלת

זרזי תא דלק סובלים לעתים קרובות מרעילה על ידי זיהומים כגון פחמן חד תחמוצת או sulfur. Graphene ציפויים יכול לפעול כמו מסננים סלקטיבית, המאפשר מגיבים לעבור תוך חסימת מולקולות רעילות.בנוסף, רשת פחמן חזקה מתנגד קורוזיה תחת תנאי חומצי וגבוהה שנמצאו ב PEMFCs, מצב משותף עבור פחמן שחור תומך מטבוליזם.

גרפן בדלק Cell Membranes

שיפור החלפת Membranes

ה- Proton Exchange membrane הוא הלב של פולימר חומצה PEMFC. המדינה-of-the-art membranes כמו Nafion (פולימר חומצה perfluorosulfonic) מציעים מוליכות פרוטון טובה אבל לסבול בעלות גבוהה, טמפרטורה הפעלה מוגבלת (below 100 מעלות צלזיוס), וקרוסבר דלק. Graphene oxide (GO) כבר משולב לתוך Nafion כדי ליצור membranes מורכבים עם תכונות משופרות.

ננוגליונות של GO מספקים שני יתרונות: הם יוצרים מסלולים נוספים של התנהגות פרוטון באמצעות קבוצות פונקציונליות חמצן שלהם, והם מציגים חיזוק מכני.על ההטענות של 0.5-2 wt%, GO-Nafion מורכב מביצועים גבוהים יותר של עד 60% יעילות פרוטון גבוהה יותר והפחתה משמעותית של חד-מוללציית methanol.com הוא בעל ערך במיוחד עבור DMFCs, שם me-Rover הוא אתגר גדול.

גרפן כ"מדידה"

גרפן פריסטין הוא בלתי אפשרי גזים ונוזלים בשל הענן הצפוי שלה אלקטרונים, אבל סטיות מימן יכולות לעבור דרך פגמים או פצעים פונקציונליים. חוקרים יצרו קרום גרפן עם גדלים פואר מבוקרים כדי לבצע סלקטיביים תוך חסימת מולקולות דלק.מברנס כזה יכול להחליף את נפני לחלוטין, אם כי ייצור בקנה מידה גדול של גרפן נטול פגם נשאר מאתגר.

Graphene ב Electrodes ו-Bpolar Plates

Gas Diffusion Layers ו- Micro ⁇ Layers

באלקטרודות תאי דלק, שכבת הטבולית גז (GDL) חייבת להפיץ מגיבים באופן אחיד ולהסיר מים.נייר פחמן מסורתי GDLs משתנה עם ציפוי גרפן כדי לשפר את המהירויות הידרופוביות ואת מגע חשמלי. Graphene מבוסס שכבות מיקרו ⁇ (MPLs) החל על פני השטח GDL הראו ירידה מים ושיפור תחבורה המונית בתאים גבוהים.

לוחות דו קוטביים

לוחיות דו קוטביות מתחברות לתאי דלק בודדים בערימה וחייבות להיות מסובכות מבחינה חשמלית, קורוזיה-resistant, וקלות משקל. Graphite מבוסס לוחות הם נפוצים אך מתפתל וקשה למכונה. Graphene-polymers מציעים אלטרנטיבה מבטיחה. על ידי פיזור גרף ננופלאטיסים מתכתיים ב-Rilphiaphine (למשל, פוליפרופילן, פוליווינלן, פוליווינלדבנים, פוליווינלדבנים, לעומת מאובנים, לעומת מאובנים), לעומת זאת, מאובנים, מאובנים, מאובנים, מאובנים, לעומת 100 מוטציות / עופרת מוטציות / עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת מעולה של עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת מאובנים / , 000 , 000 עופרת , 000 עופרת , 000 עופרת עופרת , 000 עופרת מעולה עופרת עופרת מחסנית עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת הרואין), מחסנית הרואין עופרת דחוסה, 000 דחוסה, 000 הרואין

היתרונות העיקריים של אינטגרציה Graphene

ההשפעה המצטברת של גרפן על טכנולוגיית תאי דלק ניתן לסכם במספר ממדים:

  • (FLT:0) יעילות: 1) קינטיקה תגובה מהירה יותר ושיפור תחבורה המונית תרגם צפיפות כוח גבוהה יותר ולהפחית את תאי הדלק המופחתים. Graphene-enhanced להשיג באופן שגרתי את מאגרי הכוח של 20–50% גבוה יותר מאשר עיצובים קונבנציונליים.
  • (FLT:0) Cost:BuildFLT:1) טעינה פלטינה התחתונה (בכפוף ל-0.05 מ"ג / 2 בתאים מעבדה מסוימים) והפוטנציאל של זרזים לא-מועילים לקצץ בעלויות החומר באופן משמעותי. Graphene עצמו הופך זול יותר כמו קנה מידה ייצור; גרף באיכות גבוהה יכול להיות מיוצר כעת עבור פחות מ 10 דולר לגרם.
  • אחריות>: Graphene תומך בשחיתות ולשמור על פיזור זרז במשך אלפי שעות. הפחתה של Membrane מופחת גם.בדיקות הלחץ מאומתות להראות תאים מבוססי גרפן לשמור > 80% מהביצועים הראשוניים לאחר 30,000 מחזורים, בהשוואה ל- <60% עבור תאים סטנדרטיים.
  • (FLT:0)איכותיות: גרף 1 (Gatephene) ניתן לסנתז בכמויות גדולות באמצעות שיטות מבוססות פתרון (למשל, הפחתה חד-חמצני של גרפן) התואמים לעיבוד רול-טו-roll.כמה חברות כבר לייצר גרפן עבור יישומי אחסון אנרגיה, ואותו תשתית יכולה לשרת ייצור תא.

אתגרים ומגבלות

למרות הבטחתו, גרפן אינו כדור כסף.יש לטפל בכמה מהמכשולים לפני שתאים דלקים גרף-enhanced יכולים להיכנס לייצור מסחרי:

  • (FLT:0) מכלול המידות: FLT:1, התכונות של גרפן להשתנות במידה רבה בהתאם לשיטת הסינתזה, מספר שכבות, צפיפות פגומה וקבוצות פונקציונליות.
  • (FLT:0)Scale-up של סינתזת זרז: ⁇ FLT 1:1 בעוד שתרכובות גרפן בקנה מידה מעבדה להראות ביצועים יוצאי דופן, לתרגם מתכונים אלה ל כרכים תעשייתיים ללא אובדן פעילות נשאר לא טריוויאלי.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם ייצור קיים:FreaLT:1 , קווי ייצור תאי דלק אופטימיזציה עבור פחמן שחור, PTFE, ו Nafion. Re הצבת רכיבים עם גרפן עשוי לדרוש שינויים בתנאי עיבוד, כגון פיזור או שיטות ציפוי.
  • (FLT:0) של גרפן באיכות גבוהה: גרף 1 (Grant) הגרף המשמש בתאי דלק בעלי ביצועים גבוהים דורש לעתים קרובות CVD או תהליכים אחרים בטמפרטורה גבוהה, שהם יקרים יותר מחומרי פחמן גדולים.עם זאת, עבור יישומי תא דלק, רק כמויות קטנות נדרשים - מ"ג / 2 באלקטרודות - כך ההשפעה הכוללת עשויה להיות צנועה.
  • (FLT:0) אימות עמידות לטווח ארוך: FIRLT:1 , תנאי דלק בעולם האמיתי (רכיבה על אופניים, הקפאת חזה, contaminants) הם הרבה יותר קשים מאשר בדיקות מעבדה.רכיבים מבוססי Graphene חייבים להוכיח את עצמם מעל 5,000-10,000 שעות הפעלה, המהווה את המטרה עבור מחסניות רכב.

כיוונים עתידיים של Outlook ומחקר

תחום תאי הדלק של גרפן-נסטד מתקדם במהירות.המחקר הנוכחי מתמקד במספר כיוונים מרגשים:

  • (FLT:0) אטומי מתכת יחיד וזרז יחיד: FLT:1 Graphene משמש פלטפורמה אידיאלית לייצוב אטומי מתכת יחיד (למשל, Fe, Co, Mn) מתואמת עם חנקן. זרז חד-אטומי אלה יש פוטנציאל להשיג פעילות ORR מעל זה של פלטינה תוך שימוש רק חלק קטן של המתכת.
  • (FLT:0)Graphene-ionic נוזלי מורכב:03FLT: 1 שילוב גרפן עם נוזל ionic יכול לשפר הן את הפעילות ההוליסטית והן את הפעילות הקטליטית תוך שמירה על יציבות.
  • (FLT:0) גרף גרפין תלת-ממדי: ibFLT:1 , Aerogels ו קצף של גרפן לספק מסלולי אלקטרון רציפה ומבנים נקבוביים המתאימים לתחבורה המונית, הפקת 2D סרטים.
  • (FLT:0) מחשוב למידה ועיצוב חישובי: FIRLT:1 , באמצעות חישוב של חומרים מבוססי גרפן עבור פעילות קטליטית יכול להאיץ גילוי.חוקרים בFLT:2Scientific ReportsFLT 3: 3 הראו מודל רשת עצבי שחזה גרף חנקן ORR עם דיוק גבוה.

אימוץ התעשייה מתקדם גם.כמה סטארט-אפים מפתחים רכיבי תא דלק גרף-נאנסד, ויצרניות רכב גדולות הגישו פטנטים על זרזים מבוססי גרפן ומזכרות.משרד האנרגיה האמריקני של אנרגיה (FLT:0Fuel Cell Technologies OfficeFilloFLT:1 מממן פרויקטים רבים על גבי גרף תמיכה עבור תאי דלק, הכרה בפוטנציאל שלה לעמוד ביעדים של אחריות ועמידה.

מסקנה

Graphene הוא לא רק שיפור מצטבר בטכנולוגיית תאי דלק; זה פלטפורמה חומרית שיכולה במקביל לטפל בשלושה החסמים הבסיסיים למסחר: עלות, ביצועים ועמידות. על ידי מתן טעינה פלטינה נמוכה יותר, תמיכה זרזי מתכת לא מסוכנים, חיזוק membranes, ושיפור אלקטרודות, גרפן מציעה נתיב לייצור אנרגיה נקייה כי הוא יעיל ויעיל מבחינה כלכלית בעוד אתגרים סינתזה, בטווח של מחזור זה, ניתוח של תאים סטנדרטיים, קצב דלק, הוא מציע מעבר של מעבדה, גרף, אשר מציע שינוי, קצב ניתוח, קצב ניתוח סטנדרטי של תאים סטנדרטיים, גרף, גרף, גרף, גרף, גרף, גרף, גרף, גרף, גרף, גרף, גרף, הוא מציע נתיב לייצור אנרגיה נקי, גרף, ניתוח, גרף, גרף, קצב ניתוח, גרף, גרף, 000, 000, 000, 000, והוא מציע נתיב לייצור אנרגיה נקי, והוא מציע נתיב לייצור אנרגיה נקי, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000

עבור מהנדסים, יזמים וקובעי מדיניות, השקעה במחקר תאי דלק מבוססי גרפן ופיתוח היא הכרח אסטרטגי.המעבר לאנרגיה נקייה ידרוש כל כלי זמין, וגרפן מוכיח להיות אחד החזקים ביותר.