Больше, чем просто хранение электроэнергии: ученые разработали двойную систему

Автор Wiley, 30 августа 2023 г.

Исследователи из Университета Цинхуа разработали гибридную батарею, которая не только хранит и подает электроэнергию, но и производит ценные химические вещества, такие как фурфуриловый спирт и фуроевая кислота. Система двойного назначения сочетает в себе функции перезаряжаемых и окислительно-восстановительных батарей, используя специальные катализаторы для преобразования фурфурола, полученного из биомассы, в полезные химические вещества во время зарядки или разрядки батареи.

Аккумуляторные батареи хранят электричество в материалах своих электродов, тогда как проточные окислительно-восстановительные батареи используют химические вещества, хранящиеся в резервуарах, прикрепленных к электродам. Ученые недавно разработали гибридную аккумуляторную систему, которая не только хранит и обеспечивает электричество, но и генерирует полезные химические вещества в проточной системе.

While in use the furfural–nickel hydroxide battery transforms biomass-sourced furfural into either furfuryl alcohol or furoic acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">кислота.

Фурфурол представляет собой небольшую молекулу, образованную из пентозных сахаров, распространенных в сельскохозяйственной биомассе, и считается важным химическим веществом, из которого можно получить ряд промежуточных продуктов для различных применений. Его можно окислить до фуроевой кислоты, пищевого консерванта и промежуточного продукта в синтезе фармацевтических препаратов и ароматизаторов.

При восстановлении фурфурол превращается в фурфуриловый спирт, предшественник смол, ароматизаторов и лекарств. Хаохун Дуань и группа исследователей из Университета Цинхуа в Пекине, Китай, теперь преуспели в получении обоих химических веществ с добавленной стоимостью во время работы гибридной проточной батареи, повысив экономическую эффективность аккумуляторной системы.

При зарядке стандартные аккумуляторные батареи накапливают электричество в своих электродах и передают его в цепь по мере разрядки. Другой тип батарей, окислительно-восстановительные проточные батареи, хранит электроэнергию в химических веществах, при этом химические продукты циклически перемещаются между двумя состояниями и остаются внутри батареи. Объединив обе концепции, исследователи изучили, в какой степени такие батареи способны производить дополнительные химические вещества, сохраняя или обеспечивая энергию.

A breakthrough came in the form of a bifunctional metal catalyst for the anode. Made of a rhodium–copper single-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atom alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Этот катализатор плавно превращал содержащий электролит фурфурол в фурфуриловый спирт при заряде аккумулятора, а при разряде аккумулятора образовывалась фуроевая кислота. В качестве катода исследователи определили материал из гидроксида никеля, легированный кобальтом, аналогичный катодным материалам, используемым в традиционных никель-цинковых или никель-металлогидридных батареях.

Эта сборка привела к созданию настоящей аккумуляторной системы двойного назначения: после зарядки (с использованием солнечной батареи) четыре последовательно соединенные гибридные батареи могли питать различные устройства, в том числе светодиодные фонари и смартфоны, при этом непрерывно производя фурфуриловый спирт и фуроевую кислоту во время зарядки. езда на велосипеде, при этом эти химикаты удаляются с помощью проточной системы.

Авторы обнаружили, что новая гибридная батарея сравнима с рядом обычных батарей с точки зрения плотности энергии и мощности, но она одновременно обеспечивает как мощность, так и химические вещества с добавленной стоимостью. При хранении 1 кВтч энергии вырабатывается 0,7 кг фурфурилового спирта, а при подаче в систему мощности 0,5 кВтч (на которой холодильник может работать пару часов) — 1 кг фуроевой кислоты. Однако в систему постоянно подается фурфурол, и продукты его необходимо отделять от электролита.