Исследователи из РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИПХФ РАН и ИФХЭ РАН разработали нейтрализационную батарею — устройство, способное генерировать электричество за счет разности рН двух жидкостей. Например, в ней можно использовать стоки отработанных кислот и щелочей с химических производств. Конструкцию нейтрализационной батареи опробовали на разбавленных растворах HCl и NaOH, в результате чего была показана принципиальная возможность перезаряда устройства, а ее удельная мощность достигала более 6 мВт/см2. Работа опубликована в журнале ChemSusChem.
В 70-х годах XX века ученые предложили концепцию нейтрализационной батареи, в которой энергия получается за счет разницы в значениях рН двух жидкостей, называемых электролитами. Фактически это топливо, которое превращается в электричество. Нейтрализационные батареи обладают достаточно низкими характеристиками: они не дают большие мощности при разряде и не могут хранить большие объемы энергии, но зато у них есть важное преимущество — стоимость электролитов. Для литий-ионных аккумуляторов нужны сравнительно дорогие соли лития, для водородных топливных элементов нужен водород, а нейтрализационные батареи могут использовать практически любые жидкости, например стоки отработанных кислот и щелочей с химических производств или даже морскую воду.
«Если взять какую-нибудь кислоту и щелочь — например, банальные гидроксид натрия NaOH и соляную кислоту HCl — и слить их вместе, то у нас самопроизвольно пойдет реакция нейтрализации. Из NaOH и HCl образуется соль NaCl, а оставшиеся ОН и H сольются в воду — H2O. Суммарная энергия, запасенная в химических связях NaCl и H2O, ниже, чем суммарная энергия исходной кислоты и щелочи, и поэтому в этой реакции появляется избыток энергии, который рассеивается вместе с теплом. Проще говоря, стакан, в котором мы смешали исходные реагенты, нагревается», — рассказывает аспирант ИПХФ РАН, сотрудник лаборатории ЭМХИТ РХТУ и первый автор работы Павел Локтионов.
Ученый добавил, что в нейтрализационной батарее происходит та же реакция, но только она разбивается на две полуреакции. На одном электроде протекает одна полуреакция, на другом другая. В сумме они дают ту же самую реакцию нейтрализации, но только энергия здесь выделяется не в виде тепла, а в виде электронов, которые образуются в одной полуреакции и потребляются в другой.
Существуют разные конструкции нейтрализационной батареи, но все их объединяет общая идея — две жидкости с разным рН прокачиваются через разные емкости внутри батареи. Они физически не смешиваются между собой, но зато вступают в электрохимические реакции, некоторые продукты которых переходят из одной емкости в другую. За счет такого своеобразного круговорота веществ и выделяется или, наоборот, запасается энергия. Ключевая идея батареи, придуманная сотрудником ИФХЭ РАН Александром Модестовым и реализованная сотрудником Центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН Дмитрием Коневым, — это использование двух водородных электродов, то есть в обеих емкостях происходят реакции с участием водорода, и суммарная реакция нейтрализации составляется именно из них.
Исследователи отмечают, что по сравнению с другими накопителями энергии у них получились скромные показатели — те же литий-ионные аккумуляторы дают плотность энергии где-то до 600 Вт-ч/л. Но среди именно нейтрализационных батарей полученная мощность в 6 мВт/см2 считается очень неплохой. В перспективе, если в качестве кислых электролитов нейтрализационных батарей использовать стоки химических производств, то суммарно будет получаться 1100 ГВт-ч энергии в год. Для сравнения, все атомные электростанции России вырабатывают ежегодно около 200 ГВт-ч энергии. При этом важно не забывать, что нейтрализационная батарея — это вторичный источник тока, то есть она может не только разряжаться, необратимо «сжигая» топливо, но еще и потом обратно заряжаться.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Facebook и Twitter.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
