МОСКВА, 11 травня – РІА Новини.Вчені показали, що нікель і бір, дешеві та доступні елементи, можна застосовувати для отримання нових каталізаторів розкладання води на кисень і водень, це відкриття може знайти застосування в екологічно чистій енергетиці майбутнього, повідомляється в статті дослідників, опублікованій в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

Досі найбільш ефективним серед таких каталізаторів електролізу води (розкладання на кисень та водень за допомогою електрики) вважається платина - дорогий і рідкісний метал, запаси якого на планеті дуже обмежені, у зв'язку з чим багато наукових груп шукають йому заміну.

Раніше автори нової статті, група Даніеля Носера (Daniel Nocera) з Массачусетського технологічного інституту в США, вже показували застосовність для цих цілей сполук кобальту - досить поширеного і доступного металу. Трохи менше ніж два тижні тому в пресі з'явилося повідомлення про отримання ефективного каталізатора розкладання води на основі молібдену. Тим не менше, вчені продовжують пошуки нових сполук, оскільки для комерційного застосування подібні каталізатори повинні бути не тільки дешеві, а й на порядки більш ефективні, ніж існуючі прототипи.

У своїй новій роботівчені з групи Носер описують каталітичну систему, яка є сполукою на основі елементів нікелю і бору. Він може бути нанесений у вигляді тонкої плівки на будь-яку поверхню за допомогою електрики. На електроді, що виходить таким чином, опущеному у водний розчин сполук бору (електроліт), при додатку електричної напругименш ніж у два Вольти відбувається реакція розкладання води з виділенням кисню. При цьому на протилежному електроді відбувається реакція із виділенням чистого водню.

Перевага нового каталізатора полягає в тому, що він може бути отриманий з поширених і дешевих елементів. Крім того, він має хороші робочі характеристики, які дозволяють сподіватися на те, що подібні каталітичні системи в майбутньому знайдуть комерційне застосування.

Для цього вченим необхідно збільшити потужність подібних каталізаторів, "навчити" їх працювати на звичайній воді без застосування додаткових хімічних компонентів як електролітів, а також для максимальної ефективності поєднати в єдиному пристрої із сонячними елементами.

У такій енергетичній установці надлишок електрики, що виробляється у світлий час доби, може бути перетворений на водень і накопичений для використання у темний час доби. Ця концепція має на увазі повний циклгенерації та використання енергії малими господарствами, що дуже зручно та набагато ефективніше, ніж централізоване отримання енергії на електростанціях та подальший її розподіл по електромережах.

МОСКВА, 11 травня – РІА Новини.Вчені показали, що нікель і бір, дешеві та доступні елементи, можна застосовувати для отримання нових каталізаторів розкладання води на кисень і водень, це відкриття може знайти застосування в екологічно чистій енергетиці майбутнього, повідомляється в статті дослідників, опублікованій в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

Досі найбільш ефективним серед таких каталізаторів електролізу води (розкладання на кисень та водень за допомогою електрики) вважається платина - дорогий і рідкісний метал, запаси якого на планеті дуже обмежені, у зв'язку з чим багато наукових груп шукають йому заміну.

Раніше автори нової статті, група Даніеля Носера (Daniel Nocera) з Массачусетського технологічного інституту в США, вже показували застосовність для цих цілей сполук кобальту - досить поширеного та доступного металу. Трохи менше ніж два тижні тому в пресі з'явилося повідомлення про отримання ефективного каталізатора розкладання води на основі молібдену. Тим не менше, вчені продовжують пошуки нових сполук, оскільки для комерційного застосування подібні каталізатори повинні бути не тільки дешеві, а й на порядки більш ефективні, ніж існуючі прототипи.

У своїй новій роботі вчені з групи Носер описують каталітичну систему, яка є сполукою на основі елементів нікелю і бору. Він може бути нанесений у вигляді тонкої плівки на будь-яку поверхню за допомогою електрики. На електроді, що одержується таким чином, опущеному у водний розчин сполук бору (електроліт), при додатку електричної напруги менше, ніж у два Вольти відбувається реакція розкладання води з виділенням кисню. При цьому на протилежному електроді відбувається реакція із виділенням чистого водню.

Перевага нового каталізатора полягає в тому, що він може бути отриманий з поширених і дешевих елементів. Крім того, він має хороші робочі характеристики, які дозволяють сподіватися на те, що подібні каталітичні системи в майбутньому знайдуть комерційне застосування.

Для цього вченим необхідно збільшити потужність подібних каталізаторів, "навчити" їх працювати на звичайній воді без застосування додаткових хімічних компонентів як електролітів, а також для максимальної ефективності поєднати в єдиному пристрої із сонячними елементами.

У такій енергетичній установці надлишок електрики, що виробляється у світлий час доби, може бути перетворений на водень і накопичений для використання у темний час доби. Ця концепція передбачає повний цикл генерації та використання енергії малими господарствами, що дуже зручно та набагато ефективніше, ніж централізоване отримання енергії на електростанціях та подальший її розподіл електромережами.

З екранів телевізорів нам заявляють, що кількість нафти стрімко зменшується, і незабаром бензинові машини відійдуть у минуле. Ось тільки це не зовсім правильно.

Справді, кількість розвіданих запасів нафти дуже велика. Залежно від рівня споживання їх може вистачити на період від 50 до 200 років. Але в цій статистиці досі не враховуються нерозвідані місця нафтовидобутку.

Насправді нафти на нашій планеті більш ніж достатньо. Інше питання, що складність її видобутку постійно зростає, отже, зростає і ціна. До того ж не можна списувати з рахунків екологічний фактор. Вихлопні гази дуже забруднюють середовище і з цим потрібно щось робити.

Сучасна наукастворила безліч альтернативних джерел енергії до двигуна ядерного розпаду у ваших машинах. Але більшість із цих технологій поки що є концептами без можливості реального застосування. Принаймні так було донедавна.

З кожним роком машинобудівні компанії випускають все більше машин, що працюють на альтернативних джерелаххарчування. Одним із самих ефективних рішеньу цьому контексті є водневий двигун від бренду "Тойота". Він дозволяє повністю забути про бензин, роблячи автомобіль екологічним та дешевим транспортом.

Водневі двигуни

Типи водневих двигунів та їх опис

Наука безперервно розвивається. Щодня вигадуються нові концепти. Але лише найкращі з них втілюються у життя. Зараз існує лише два типи водневих двигунів, які можуть бути рентабельними та продуктивними.

Перший тип водневого двигуна працює на паливних елементах. На жаль, водневі двигуни даного типуі досі мають високу вартість. Справа в тому, що в конструкції міститься дорогі матеріалина зразок платини.

До другого типу відносяться водневі двигуни. внутрішнього згоряння. Принцип роботи таких пристроїв нагадує пропанові моделі. Саме тому їх часто переналаштовують до роботи під водень. На жаль, ККД подібних пристроївна порядок нижче за ті, що функціонують на паливних елементах.

На даний момент важко сказати, яка з двох технологій створення водневих двигунів переможе. Кожна має свої плюси та мінуси. У будь-якому випадку роботи у цьому напрямі не припиняються. Тому цілком можливо, що до 2030 року машину з водневим двигуном можна буде купити в будь-якому автосалоні.

Принцип роботи

Водневий двигун працює на основі принципу електролізу. Цей процесвідбувається у воді під впливом спеціального каталізатора. Внаслідок цього виділяється гідроген. Його хімічна формуланаступна - ННО. Газ не має вибухонебезпечних якостей.

Важливо! Усередині спеціальних ємностейгаз поєднується з паливно-повітряною сумішшю.

До складу генератора входить електролізер та резервуар. За процес генерації газу відповідає модулятор струму. Для забезпечення найкращих результатівв інжекторних водневих двигунах встановлюється оптимізатор. Цей пристрій відповідає за регулювання співвідношення паливно-повітряної суміші та газу Брауна.

Характеристики каталізаторів

Каталізатори, які використовуються для створення потрібної реакції у водневому двигуні, можуть бути трьох видів:

1. Циліндричні банки. Це сама проста конструкціяпрацює на досить примітивній системі управління. Продуктивність водневого двигуна, що працює з цим каталізатором, не перевищує 0,7 літра газу на хвилину. Такі системи можуть використовуватись на машинах з водневим двигуном об'ємом до півтора літра. Збільшення кількості банок дозволяє перевищити цей ліміт.
2. Роздільні осередки. Вважається, що саме такий тип каталізатора є найефективнішим. Продуктивність системи становить більше двох літрів газу за хвилину, ККД — максимальний.
3. Відкриті пластини або сухий каталізатор. Ця системарозрахована на тривалий термінроботи. Продуктивність коливається в діапазоні від одного до двох літрів газу на хвилину. Відкрите розташування забезпечує максимально ефективне охолодження.

Ефективність водневих двигунів з кожним роком зростає. Зараз починають вводитися в експлуатації гібридні пристрої, що функціонують на водні та бензині. У свою чергу конструктори не припиняють шукати найбільш ефективної моделі каталізатора, що забезпечує ще більшу продуктивність.

Водневий двигун своїми руками

Генератор

Щоб створити ефективний водневий двигун своїми руками, потрібно почати з генератора. Найпростіший саморобний генератор- Це герметична ємність з рідиною, в яку занурюються електроди. Для такого пристрою достатньо джерела живлення 12 В.

Штуцер встановлюється на кришці конструкції. Він відводить суміш водню із киснем. Власне, це є основа генератора для водневого двигуна, яка підключається до ДВС.

Щоб створити повноцінну систему, знадобиться додатковий накопичувач і акумулятор. Як корпус найкраще використовувати водопровідний фільтр або ж можна купити спеціальну установку. В останній застосовуються циліндричні електроди підвищеної продуктивності.

Як бачите, виділити потрібний газ для реакції не так вже й складно. Набагато складніше зробити його в потрібній для водневого двигуна кількості. Щоб підвищити ефективність потрібно використовувати електроди з міді. В крайньому випадку підійде і нержавіюча сталь.

У ході реакції струм повинен подаватись з різною силою. Тому без електронного блокуне обійтися. До того ж у резервуарі завжди має бути певна кількість води, щоб реакція проходила в нормальних умовах. Система автоматичного підживлення у водневому двигуні вирішує цю проблему. Інтенсивність електролізу забезпечує достатню кількість солі.

Важливо! Якщо вода дистильована, електролізу не буде зовсім.

Щоб зробити воду для водневого двигуна, необхідно взяти 10 літрів рідини і додати столову ложку гідроксиду.

Пристрій водневого двигуна

Насамперед потрібно подбати про додаткові резервуари та трубопровод. Водневий двигун потребує датчика рівня води, який встановлюється у середині кришки. Це запобіжить хибне спрацюванняпри русі вгору-вниз. Саме він даватиме команду системі автоматичного підживлення, коли це знадобиться.

Особливу роль відіграє датчик тиску. Він включається на показнику 40 psi. Як тільки внутрішній тиск досягне показника 45 psi, підкачка відключається. При перевищенні 50 psi спрацює запобіжник.

Запобіжник водневого двигуна повинен складатися з двох частин: вентиля аварійного скидання та розривного диска. Розривний диск активується, коли тиск досягає 60 psi, не завдаючи жодної шкоди системі.

Для відведення тепла потрібно використовувати найхолоднішу свічку. Не підходять свічки із платиновими наконечниками. Платина - відмінний каталізатор для реакції водню та кисню.

Важливо! Приділіть особлива увагастворення вентиляції картера водневого двигуна.

Електрична частина

Важливу рольв електричної схемиводневого двигуна грає таймер 555. Він виконує роль генератора імпульсного. Мало того, за його допомогою можна регулювати частоту та ширину імпульсу.

Важливо! Таймер має три частотні діапазони. Опір резисторів у межах 100 Ом. Підключення відбувається паралельно.

У платі водневого двигуна має бути два імпульсні таймери 555. При цьому перший повинен мати конденсатори більшої ємності. Вихід із ноги 3 надходить на другий генератор. Він його власне і вмикає.

Третій вихід другого таймера імпульсного водневого генератора підключається до резистори на 220 і 820 Ом. Транзистор посилює струм до необхідної величини. За його захист відповідає діод 1N4007. Це забезпечує нормальну роботу усієї системи.

Підсумки

Нині водневий двигун вже не плід фантазії вчених, а цілком реальна технологія, яку можна зробити самостійно. Звичайно, за характеристиками такий агрегат поступатиметься заводській моделі. Але економія для ДВС все одно буде помітною.

Водневі двигунине просто допомагають скоротити споживання бензину, але і є повністю безпечними для навколишнього середовища. Саме тому вже в першому кварталі продажу водневого автомобіля марки "Тойота" побили усі рекорди в Японії.

Якщо знайти дешевий і простий спосіб електролізу/фотолізу води, ми отримаємо неймовірно багате і чисте джерело енергії - водневе паливо. Згоряючи в кисні, водень не утворює жодних побічних виділень, крім води. Теоретично, електроліз – дуже простий процес: достатньо пропустити електричний струмчерез воду, і вона поділяється на водень та кисень. Але зараз усі розроблені техпроцеси вимагають такого великої кількостіенергії, що електроліз стає невигідним.

Наразі вчені вирішили частину головоломки. Дослідники з Техніон-Ізраїльського технологічного інституту розробили метод проведення другого з двох кроків окисно-відновної реакції - відновлення - у видимому (сонячному) світлі з енергетичною ефективністю 100%, значно перевищивши попередній рекорд 58,5%.

Залишилося вдосконалити напівреакцію окиснення.

Настільки високої ефективностівдалося досягти завдяки тому, що в процесі використовується лише енергія світла. Каталізаторами (фотокаталізаторами) виступають наностержні довжиною 50 нм. Вони абсорбують фотони від джерела освітлення – і видають електрони.

У напівреакції окислення виробляються чотири окремих атоми водню та молекула О 2 (яка не потрібна). У напівреакції відновлення чотири атоми водню спаровуються в дві молекули H 2 , виробляючи корисну форму водню - газ H 2

Ефективність 100% означає, що всі фотони, що надійшли до системи, беруть участь у генерації електронів.

На такій ефективності кожен наностержень генерує близько 100 молекул H2 на секунду.

Наразі вчені працюють над оптимізацією техпроцесу, який поки що вимагає лужного середовищаз неймовірно високим pH. Такий рівень не прийнятний для реальних умов експлуатації.

До того ж, наностержні схильні до корозії, що теж не надто добре.

Тим не менш, сьогодні людство стало на крок ближче до отримання невичерпного джерелачистої енергії як водневого палива.

Використання водню як енергоносій для обігріву будинку – ідея дуже приваблива, адже його теплотворна здатність (33.2 кВт/м3) перевищує більш ніж у 3 рази показник природного газу(9.3 кВт/м3). Теоретично, щоб витягти горючий газ із води з подальшим спалюванням його в котлі, можна використовувати водневий генератордля опалення. Про те, що з цього може вийти і як зробити такий пристрій своїми руками, буде розказано у статті.

Принцип роботи генератора

Як енергоносій водень справді немає собі рівних, а запаси його практично невичерпні. Як ми вже сказали, при спалюванні він виділяє величезна кількістьтеплової енергії, незрівнянно більше, ніж будь-яке вуглеводневе паливо. Замість шкідливих сполук, що викидаються в атмосферу при використанні природного газу, при горінні водню утворюється звичайна водау вигляді пари. Одна біда: даний хімічний елементне зустрічається в природі в вільному виглядітільки в поєднанні з іншими речовинами.

Одна з таких сполук – звичайна вода, що є повністю окисленим воднем. Над її розщепленням на складові елементипрацювало багато вчених протягом довгих років. Не можна сказати, що безрезультатно, адже технічне рішення щодо поділу води все ж таки було знайдено. Його суть – у хімічної реакціїелектролізу, в результаті якої відбувається розщеплення води на кисень і водень, отриману суміш назвали гримучим газом або газом Брауна. Нижче показана схема водневого генератора (електролізера), що працює на електриці:

Електролізери виробляються серійно та призначені для газополум'яних (зварювальних) робіт. Струм певної сили та частоти подається на групи металевих пластин, занурених у воду. В результаті реакції електролізу, що протікає, виділяються кисень і водень впереміш з водяною парою. Для відділення гази пропускаються через сепаратор, після чого подаються на пальник. Щоб уникнути зворотного удару та вибуху, на подачі встановлюється клапан, що пропускає пальне лише в один бік.

Для контролю за рівнем води та своєчасного підживлення конструкцією передбачений спеціальний датчик, за сигналом якого проводиться її впорскування робочий простірелектролізера. За перевищенням тиску всередині судини стежить аварійний вимикач скидний клапан. Обслуговування водневого генератора полягає в періодичному додаванні води і на цьому все.

Водневе опалення: міф чи реальність?

Генератор для зварювальних робіт- це на даний момент єдине практичне застосуванняелектролітичного розщеплення води. Використовувати його для опалення будинку недоцільно і чому. Витрати енергоносіїв при газополум'яних роботахне так важливі, головне, що зварювальникові не потрібно тягати важкі балони і возитися зі шлангами. Інша річ – опалення житла, де кожна копійка на рахунку. І тут водень програє всім існуючим нині видам палива.

Важливо.Витрати електроенергії на виділення пального з води методом електролізу будуть набагато вищими, ніж гримучий газ зможе виділити при спалюванні.

Серійні зварювальні генераторикоштують чималих грошей, оскільки в них використовують каталізатори процесу електролізу, до складу яких входить платина. Можна зробити водневий генератор своїми руками, але його ефективність буде ще нижчою, ніж у заводського. Отримати горючий газ вам точно вдасться, але навряд чи його вистачить на обігрів хоча б однієї великої кімнати, не те що цілого будинку. А якщо й вистачить, то доведеться сплачувати нечувані рахунки за електрику.

Чим витрачати час та зусилля на отримання безкоштовного палива, якого не існує апріорі, простіше змайструвати своїми руками простий електродний котел. Можете бути впевнені, що так ви витратите набагато менше енергії з більшою користю. Втім, домашні майстри – ентузіасти завжди можуть спробувати свої сили та зібрати вдома електролізер, з метою провести експерименти та переконатися у всьому особисто. Один із подібних експериментів показаний на відео:

Як виготовити генератор

Маса інтернет-ресурсів публікують самі різні схемиі креслення генератора для отримання водню, але вони діють за одним принципом. Ми запропонуємо до вашої уваги креслення простого пристрою, взятий із науково-популярної літератури:

Тут електролізер є групою металевих пластин, стягнутих між собою болтами. Між ними встановлені ізоляційні прокладки, товсті крайні обкладки теж виготовлені з діелектрика. Від штуцера, вмонтованого в одну з обкладок, йде трубка для подачі газу до посудини з водою, а з нього – до другої. Завдання ємностей – відокремлювати парову складову та накопичувати суміш водню з киснем, щоб подавати його під тиском.

Порада.Електролітичні пластини для генератора треба робити з нержавіючої сталілегованої титаном. Він стане додатковим каталізатором реакції розщеплення.

Пластини, що є електродами, можуть бути довільного розміру. Але треба розуміти, що продуктивність апарату залежить від їхньої площі поверхні. Чим більша кількістьелектродів вдасться задіяти у процесі, тим краще. Але при цьому і споживаний струм буде вищим, це слід враховувати. До кінців пластин припаюються дроти, що ведуть до джерела електрики. Тут також є поле для експериментів: можна подавати на електролізер різну напругу за допомогою регульованого блоку живлення.

Як електролізер можна застосувати пластиковий контейнервід водяного фільтра, помістивши в нього електроди із нержавіючих трубок. Виріб зручно тим, що його легко герметизувати від навколишнього середовища, виводячи трубку та дроти через отвори у кришці. Інша справа, що цей саморобний водневий генератор має невисоку продуктивність через малої площіелектродів.

Висновок

На даний момент не існує надійної та ефективної технології, що дозволяє реалізувати водневе опаленняприватного будинку. Ті генератори, що є у продажу, можуть успішно застосовуватися для обробки металів, але не для виробництва палива для казана. Спроби організувати подібний обігрів призведуть до перевитрати електроенергії, не рахуючи витрат на обладнання.