Снижение наводораживания материалов мембранно-электродных блоков генераторов водорода

Цели. Исследование возможности предотвращения наводораживания функциональных конструкционных материалов мембранно-электродных блоков генерации водорода на основе пористого никеля, сажи и восстановленного оксида графена, модифицированных наночастицами платина-никель и палладий-никель.

Методы. Для оценки степени наводораживания материалов мембранно-электродных блоков щелочных электролизеров была использована установка электролизера с возможностью контроля температуры, скорости подачи реагентов и содержания газов.

Результаты. Обоснована необходимость применения восстановленного оксида графена с целью снижения наводораживания и деградации мембранно-электродных блоков генерации водорода.

Выводы. Результаты ресурсных испытаний и рабочие характеристики сконструированных вариантов макетов мембранно-электродных блоков с наноструктурированными электродами на основе восстановленного оксида графена, нивелирующие наводораживание и деградацию функциональных материалов, демонстрируют перспективность конструирования генераторов водорода с высокой энергоэффективностью.

1. Burton N.A., Padilla R.V., Rose A., Habibullah H. Increasing the efficiency of hydrogen production from solar powered water electrolysis. Renew. Sust. Energ. Rev. 2021;135:110255. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110255

2. Антропов А.П., Рагуткин А.В., Лебедевa М.В., Яштулов Н.А. Нанокомпозитные микромощные альтернативные источники энергии для электронной техники. Теплоэнергетика. 2021;68(1):21–29. https://doi.org/10.1134/s0040363621010100

3. Zeng K., Zhang D. Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications. Prog. Energy Combust. Sci. 2010;36(3):307–326. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2009.11.002

4. Haverkort J.W., Rajaei H. Electro-osmotic flow and the limiting current in alkaline water electrolysis. J. Power Sources Adv. 2020;6:100034. https://doi.org/10.1016/j.powera.2020.100034

5. Smirnov S.E., Yashtulov N.A., Putsylov I.А., Smirnov S.S., Lebedeva M.V. Polysulfone Copolymer as Polymer Electrolyte for Alkaline Fuel Cell and Li-Ion Battery Applications. J. Eng. Appl. Sci. 2019;14(9):2928–2935. https://doi.org/10.36478/jeasci.2019.2928.2935

6. Yashtulov N.A., Lebedeva M.V., Patrikeev L.N., Zaitcev N.K. New polymer-graphene nanocomposite electrodes with platinum-palladium nanoparticles for chemical power sources. eXPRESS Polym. Lett. 2019;13(8):739–748. https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2019.62

7. Яштулов Н.А., Лебедева М.В. Водородная энергетика возобновляемых источников тока. Russian Technological Journal. 2017;5(3):58–73. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2017-5-3-58-73

8. Спиридонов Н.В., Ивашко В.С., Кудина А.В., Кураш В.В. Наводороживание и разрушение структуры стальных деталей машин и механизмов в водородсодержащих средах. Наука и техника. 2014;(2):72–77.

9. Delvaux A., Lumbeeck G., Idrissi H., Proost J. Effect of microstructure and internal stress on hydrogen absorption into Ni thin film electrodes during alkaline water electrolysis. Electrochimica Acta. 2020;340:135970. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.135970

10. Jiang X.G., Zhang Y.P., Song C., Xie Y.C., Liu T.K., Deng C.M., Zhang N.N. Performance of nickel electrode for alkaline water electrolysis prepared by high pressure cold spray. Int. J. Hydrogen Energy. 2020;45(58):33007–33015. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.09.022

11. Mayerhöfer B., McLaughlin D., Böhm T., Hegelheimer M., Seeberger D., Thiele S. Bipolar Membrane Electrode Assemblies for Water Electrolysis. ACS Appl. Energy Mater. 2020;3(10):9635–9644. https://doi.org/10.1021/acsaem.0c01127

12. Liu Z., Sajjad S.D., Gao Y., Yang H., Kaczur J.J., Masel R.I. The effect of membrane on an alkaline water electrolyzer. Int. J. Hydrogen Energy. 2017;42(50):29661–29665. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.10.050

13. López-Fernández E., Gil-Rostra J., Espinós J.P., González-Elipe A.R., de Lucas Consuegra A., Yubero F. Chemistry and Electrocatalytic Activity of Nanostructured Nickel Electrodes for Water Electrolysis. ACS Catal. 2020;10(11):6159–6170. https://doi.org/10.1021/acscatal.0c00856

14. Koj M., Qian J., Turek T. Novel alkaline water electrolysis with nickel-iron gas diffusion electrode for oxygen evolution. Int. J. Hydrogen Energy. 2019;44(57):29862–29875. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.09.122

15. Le Formal F., Yerly L., Potapova Mensi E., Da Costa X.P., Boudoire F., Guijarro N., Spodaryk M., Züttel A., Sivula K. Influence of Composition on Performance in Metallic Iron–Nickel–Cobalt Ternary Anodes for Alkaline Water Electrolysis. ACS Catal. 2020;10(20):12139–12147. https://doi.org/10.1021/acscatal.0c03523

16. Rauscher T., Bernäcker C.I., Mühle U., Kieback B., Röntzsch L. The effect of Fe as constituent in Ni-base alloys on the oxygen evolution reaction in alkaline solutions at high current densities. Int. J. Hydrogen Energy. 2019;44(13):6392–6402. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.01.182

17. Яштулов Н.А., Рагуткин А.В., Лебедева М.В., Смирнов С.С. Функциональные характеристики электродов на основе пористого кремния для микромощных источников тока. Цветные металлы. 2017;(5):58–63. https://doi.org/10.17580/tsm.2017.05.09

18. Wang S., Zou X., Lu Y., Rao S., Xie X., Pang Z. Electrodeposition of nano-nickel in deep eutectic solvents for hydrogen evolution reaction in alkaline solution. Int. J. Hydrogen Energy. 2018;43(33):15673–15686. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.06.188

19. Kraglund M.R., Aili D., Jankova K., Christensen E., Li Q., Jensen J.O. Zero-gap alkaline water electrolysis using ion-solvating polymer electrolyte membranes at reduced KOH concentrations. J. Electrochem. Soc. 2016;163(11):F3125. https://doi.org/10.1149/2.0161611jes

20. Sulka G.D., Brzozka A., Liu L. Fabrication of diametermodulated and ultrathin porous nanowires in anodic aluminum oxide templates. Electrochimica Acta. 2011;56(14):4972–4979. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.03.126

21. Антропов А.П., Зайцев Н.К., Рябков Е.Д., Яштулов Н.А., Мудракова П.Н. Химико-технологический подход к созданию нановорсистых (ультрадисперсных) каталитически активных материалов. Тонкие химические технологии. 2021;16(2):105–112. https://doi.org/10.32362/24106593-2021-16-2-105-112

22. Лебедева М.В., Антропов А.П., Рагуткин А.В., Зайцев Н.К., Яштулов Н.А. Разработка электродных наноматериалов для щелочного электролиза воды. Теор. основы хим. технологии. 2021;55(5):642–651. https://doi.org/10.31857/S0040357121050079

23. Ставровский М.Е., Сидоров М.И., Албагачиев А.Ю., Рагуткин А.В., Лукашев П.Е. О роли водорода в процессах разрушения материалов. М.: Эко-Пресс; 2020. 208 с. ISBN 978-5-6044018-7-3

24. Лукашев E.А., Ставровский М.Е., Сидоров М.И., Емельянов С.Г., Посеренин С.П. Модель топохимической кинетики взаимодействия материалов. Известия ЮгоЗападного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016;2(19):9–20.

25. Vagin A.V., Sidorov M.I., Albagachiev A.Y., Stavrovskii M.E. Improving the life of artillery systems. Russ. Engin. Res. 2017;37(3):211–217. https://doi.org/10.3103/s1068798X17030212

26. Лебедева М.В., Антропов А.П., Рагуткин А.В., Яштулов Н.А. Платиновые наноэлектрокатализаторы для водородно-воздушных источников энергии. Computational Nanotechnology. 2020;7(1):26–29. https://doi.org/10.33693/2313223X-2020-7-1-26-29

27. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. СПб.: Лань; 2015. 672 с. ISBN 978-5-81141878-7

28. Krylova K.A., Baimova J.A., Mulyukov R.R. Effect of deformation on dehydrogenation mechanisms of crumpled graphene: molecular dynamics simulation. Lett. Mater. 2019;9(1):81–85. https://doi.org/10.22226/2410-3535-20191-81-85

29. Chuah C.Y., Lee J., Bae T.-H. Graphene-based Membranes for H2 Separation: Recent Progress and Future Perspective. Membranes. 2020;10(11):336. https://doi.org/10.3390/membranes10110336