Ученые из Университета Цинхуа в Пекине разработали аккумуляторную систему на основе гибридной ячейки, которая не только хранит и обеспечивает электричество, но и производит ценные химические вещества в проточной системе. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Аккумуляторы хранят электричество в материалах своих электродов, в то время как проточные окислительно-восстановительные батареи используют химические вещества, хранящиеся в резервуарах, прикрепленных к электродам. Соединить достоинства обоих типов батарей смогли исследователи из КНР, создав аккумуляторную систему на основе гибридной фурфурол-никелевой ячейки, которая не только обеспечивает хранение и подачу электричества, но и производит ценные химические вещества.
Во время работы фурфурол-никелевая батарея преобразует молекулярный фурфурол, полученный из биомассы, либо в фурфуриловый спирт, либо в фурановую кислоту.
Фурфурол представляет собой небольшую молекулу, образованную из пентозных сахаров, распространенных в сельскохозяйственной биомассе, и считается важным базовым химическим веществом, из которого можно получить ряд промежуточных соединений для различных применений. Его можно, в частности, окислить до фурановой кислоты – пищевого консерванта и промежуточного продукта в синтезе фармацевтических препаратов и ароматизаторов. При восстановлении фурфурол превращается в фурфуриловый спирт – исходное сырье для получения многих смол, ароматизаторов и лекарств.
Хаохонг Дуан и группа его коллег-исследователей из Университета Цинхуа в Пекине во время тестовой работы созданной ими гибридной проточной батареи добились успеха в получении обоих ценных химических веществ, повысив экономическую эффективность аккумуляторной системы в целом. Итоги исследования китайских ученых опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition .
При зарядке стандартные перезаряжаемые батареи накапливают электричество в своих электродах и подают его в цепь по мере разрядки. Батареи другого типа – проточные окислительно-восстановительные батареи, хранят электричество в химических веществах, при этом химические продукты циркулируют между двумя состояниями и остаются внутри батареи.
Объединив обе концепции, исследователи из КНР сконцентрировались на изучении того, в какой степени «гибридные» батареи способны производить дополнительные химические вещества при хранении или обеспечении энергией. По их словам, прорыв произошел в виде бифункционального металлического катализатора для анода. Изготовленный из одноатомного сплава родий-медь, этот катализатор плавно превращал электролитсодержащий фурфурол в фурфуриловый спирт при зарядке батареи, а при разрядке батареи образовывалась фурановая кислота.
В качестве материала катода исследователи определили гидроксид никеля, легированный кобальтом – по сути, аналогичный катодным материалам, используемым в традиционных никель-цинковых или никель-металлогидридных батареях.
Эта сборка привела к эффективно действующей аккумуляторной системе двойного назначения: после зарядки (с помощью солнечной батареи) четыре последовательно соединенных гибридных аккумулятора могли работать с различными устройствами, включая светодиодные фонари и смартфоны, непрерывно производя фурфуриловый спирт и фуриновую кислоту во время работы от батареи, при этом полученные ценные химические вещества отводятся с помощью проточной системы.
Авторы исследования обнаружили, что их новая гибридная батарея сравнима с рядом обычных батарей с точки зрения плотности энергии и плотности мощности, но она одновременно обеспечивает как подачу электричества, так и выработку химических веществ с довольно высокой добавленной стоимостью.
Тесты на экспериментальном образце показали, что при запасании 1 кВтч энергии образуется 0,7 кг фурфурилового спирта, а при обеспечении системой мощности 0,5 кВтч (достаточной, чтобы смог работать пару часов холодильник) образуется 1 кг фурановой кислоты. При этом фурфурол постоянно поступает в систему, и полученные продукты необходимо отделять от электролита.