В ХХ веке потребление энергии в мире увеличилось почти в 15 раз. В качестве первичных источников в 80% случаях до сих пор почти используются углеводороды. Результат – за последние 50 лет выбросы углекислого газа в атмосферу возросли в четыре с половиной раза. Именно углекислый газ, по мнению ученых, вызывает парниковый эффект. Другая сторона проблемы – расходование невозобновляемыых энергоносителей, запасы которых ограничены. Без энергии нельзя сохранить цивилизацию, но добывая и используя привычные энергоносители мы разрушаем среду обитания. Какие альтернативные методы энергообеспечения существуют? Есть ли здесь место нанотехнологиям и чем они могут помочь? Об этом на страницах журнала «Российские нанотехнологии» пишет кандидат физико-математических наук Александр Данилов.
Как указывает Данилов, на ближайшие десятилетия проблему могут решить топливные элементы.В ближайшие десятилетия главная надежда здесь — на использование топливных элементов. При получении энергии из топливных элементов отработанным продуктом является не углекислый газ, а водяной пар.
Сейчас в мире активно разрабатываются твердополимерные топливные элементы на водороде, которые как предполагают ученые будут использоваться в автотранспорте. Однако их стоимость очень высока: 1 кВт установленной мощности в лучших образцах обходится в 3-5 тыс. долл., стоимость твердооксидных топливных элементы (ТОТЭ), применяемых в автономной энергетике составляет 3 тыс. долл. В общем, альтернативная энергетика – удовольствие дорогое. Для того чтобы использовать твердополимерные топливные элементы в транспортной промышленности, нужно снизить их стоимость до 100 долл., за 1 кВт.
Что касается ТОТЭ, то в настоящее время их разработку нельзя представить без использования нанокомпонентов и нанотехнологий. В частности, эти топливные элементы до сих пор рассматривались как перспективное решение для больших электростанций. Было доказано, что использование тепла электрохимической реакции для дополнительной выработки электроэнергии при помощи газовой или паровой турбины может довести КПД теплоэлектростанций до 80%.Однако высокая температура реакции, являющаяся преимуществом применения ТОТЭ в большой энергетике, усложняет и делает слишком дорогим их широкое распространение в других областях. Поэтому такой энтузиазм вызвала работа группы ученых Мадридского Университета, которой удалось доказать, что ионная проводимость электролита при низких температурах может быть существенно улучшена, если на слой обычного электролита (оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия) будет нанесен слой титаната стронция (SrTiO3) толщиной 10 нм. Это связано с тем, что благодаря отличию строения кристаллических решеток оксида циркония и титаната стронция в области контакта этих материалов образуется большое число «кислородных вакансий», по которым ионы кислорода движутся сквозь электролит.
Кстати, традиционные технологии, несмотря на огромные вложения, до сих пор не позволили Западу и Японии создать топливные элементы коммерческого уровня.
Работают над проблемой и в России. Институте электрофизики Уральского отделения РАН разработаны технологии получения уникальных слабоагрегированных нанопорошков твердого электролита YSZ на основе лазерной абляции, а также оксидов никеля и меди для анодов и катодов, полученных методом электровзрыва проволоки. Используя компоненты ТОТЭ в наноразмерном состоянии, удалось понизить технологические энергозатраты, снижая температуру синтеза, а также улучшить основные потребительские свойства ТОТЭ – компактность и экономичность.
Источник: Nano-portal
