Электрохимия кислорода

🤔 В настоящее время широкомасштабному применению перезаряжаемых воздушно-цинковых батарей (ВЦБ) препятствует низкая кинетика реакций восстановления (РВК) и выделения кислорода (КВР), соответствующих процессам разрядки и зарядки ВЦБ соответственно. С целью достижения высокой каталитической эффективности как для РВК, так и для КВР на одном и том же воздушном электроде, для практических воздушно-цинковых батарей желательно применение бифункциональных катализаторов, не содержащих драгоценных металлов.

👉 Хорошо известно, что платина (Pt) проявляет превосходную активность для РВК, но довольно низкую эффективность для КВР (из-за образования стабильного оксидного слоя с низкой электронной проводимостью). Оксиды благородных металлов, такие как оксиды рутения (Ru) и иридия (Ir), хотя и считаются эталонными катализаторами КВР, менее активны для РВК. Тем более, что долговечность существующих катализаторов на основе благородных металлов все еще недостаточно удовлетворительна для их применения в аккумуляторных ВЦБ. Кроме того, их применение в воздушно-цинковой системе также затруднено из-за нехватки и, как следствие, высокой стоимости благородных металлов.

👍 В последние годы достигнут большой прогресс в разработке бифункциональных катализаторов, в том числе материалов на основе переходных металлов (оксиды, халькогениды, нитриды и карбиды), углеродных наноматериалов, легированные гетероатомами, а также гибридных материалов, состоящих из двух первых. Однако механизм и кинетика реакций РВК и КВР могут различаться для разных материалов катализатора и электролитов, что необходимо выяснить с помощью современных методов определения характеристик в реальных условиях в сочетании с теоретическими расчетами.

🤝 На практике при применении батарей обычно считается, что катализаторы, способствующие реакции РВК по типу прямого четырехэлектронного восстановления, являются более предпочтительными. Это связано с тем, что кислород в этом случае восстанавливается до OH- без образования пероксида в фазе раствора. Эти катализаторы часто включают в себя материалы на основе благородных металлов (например, Pt, Pd, Ag), некоторые макроциклы переходных металлов (например, фталоцианин железа), оксиды перовскитов и ряд углеродных материалов, легированных азотом. В то время, как для двухэлектронного восстановления используются виды пероксидов, имеющиеся в электролите. Накопление пероксида не только снижает эффективность катализа РВК, но и отравляет катализаторы или углеродные подложки из-за их высокой окисляемости.

Продолжение следует

👆Инфографика с итогами 2023 г. для рынка СПГ от Международной группы импортеров сжиженного природного газа (GIIGNL):

✔️ Глобальный импорт СПГ увеличился на 2,1%, достигнув 401 млн т (против 393 млн т в 2022 г.);

✔️ Благодаря вводу 17-ти новых объектов общая мощность терминалов регазификации СПГ достигла 1143 млн т в год, что в два с лишним раза выше аналогичного показателя для терминалов по производству СПГ (481 млн т в год);

✔️ Количество стран-экспортеров СПГ достигло 20-ти, а стран-импортеров – 48-ми;

✔️ 65% глобального импорта СПГ обеспечили страны Азии, а 39% экспорта – страны и регионы, расположенные на побережье Атлантики;

✔️ Доля спотовых контрактов в глобальном импорте СПГ достигла 35% (141 млн из 401 млн т).

💪 Китай в 2023 г. ввел в эксплуатацию 297,6 гигаватта (ГВт) мощности солнечных генераторов, ветроустановок и всех прочих ВИЭ, тогда как страны «Большой семерки» – 69,8 ГВт, а весь остальной мир – 106,1 ГВт, согласно данным Ember.

🌏 Несмотря на удешевление ВИЭ, удельная приведенная стоимость выработки электроэнергии на газовых ТЭС в странах Юго-Восточной Азии находится почти в том же диапазоне, что и при использовании ветроустановок и солнечных панелей (от $75 до $130 на мегаватт-час).

🔹 Как следствие, газ по-прежнему играет высокую роль в электроэнергетике региона. Так, в Таиланде на долю газа в 2023 г. приходилось 68% электрогенерации, в Малайзии – 37%, а в Индонезии – 18%.

💪 Локомотивом развития угольной отрасли, де-факто, являются шесть стран – Китай, Индия, Индонезия, Россия, ЮАР и Австралия. По данным Global Energy Monitor, на их долю пришлось 93% новых угольных шахт и разрезов, открытых по всему миру в период с 2015 по 2023 гг.

Электрохимия кислорода. Продолжение

🔋 В отличие от 4-электронной (e-) химии кислорода (O2), традиционно используемой в ВЦБ, ряд исследователей сообщает о воздушно-цинковой (O2) химии с использованием пероксид цинка (ZnO2), протекающей по схеме 2e-/O2 в нещелочных водных электролитах, что позволяет проводить с высокой обратимостью окислительно-восстановительные реакции в воздушно-цинковых батареях. Такой химический процесс с использованием ZnO2 стал возможным благодаря использованию гидрофобного трифторметансульфонатного (OTF-) аниона большого размера, входящего в состав растворенного вещества электролита, а также внутреннего слоя Гельмгольца на воздушном катоде, созданного гидрофобными анионами OTF- и богатого ионами цинка (Zn2+). Эта нещелочная воздушно-цинковая батарея не только стабильно работает в окружающем воздухе, но и демонстрирует гораздо лучшую обратимость, чем ее щелочной аналог.

👉 Такая адаптация межфазных структур путем изменения свойств электролита демонстрирует решение проблемы электрохимической необратимости, которая на протяжении веков преследовала не только щелочные ВЦБ, но и почти все металл-воздушные батареи. Эта стратегия также позволяет реально применять металл-воздушные батареи, в которых ранее использовались только щелочные электролиты, например, воздушно-магниевые батареи с теоретической удельной энергией 6851 Вт·ч кг-1, железо-воздушные батареи с теоретической удельной энергией 1229 Вт·ч кг-1, и воздушно-алюминиевые батареи с теоретической удельной энергией 8076 Вт·ч кг-1.

👍 Новым направлением электрокаталитической науки стали одноатомные электрокатализаторы (SAEC), обладающие строгой структурой, высокой собственной активностью и максимальной эффективностью атомов, а также позволяющие заменять дорогие катализаторы из благородных металлов платиновой группы. Однако точное изготовление SAEC с однородными активными центрами высокой плотности, достижение максимальной эффективности использования активных центров, а также поддержание центров с изолированными атомами в качестве одноатомных центров в жестких условиях электрокатализатора остается актуальной задачей.

Окончание следует