Российские ученые создали батарею, работающую на химических отходах

Химики 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, стоков отработанных кислот и щелочей с химических производств. Результаты исследования опубликованы в журнале ChemSusChem.

Концепция нейтрализационной батареи, в которой энергия получается за счет разницы в значениях рН двух жидкостей, называемых электролитами, появилась в 1970-х годах, однако не получила достаточного развития из-за того, что такие батареи не дают большие мощности при разряде и не могут хранить значимые объемы энергии. Но у них есть одно преимущество — низкая стоимость электролитов, в качестве которых можно использовать отходы химических производств и даже морскую воду.

Принцип работы нейтрализационной батареи основан на том, что две жидкости с отличным рН прокачиваются через разные емкости внутри батареи. Они физически не смешиваются между собой, но зато вступают в электрохимические реакции, продукты которых переходят из одной емкости в другую. За счет такого своеобразного круговорота веществ и выделяется или, наоборот, запасается энергия.

Исследователи отработали конструкцию нейтрализационной батареи на разбавленных растворах HCl и NaOH. Ключевая идея заключалась в использовании водородных электродов. В итоге в обеих емкостях происходят реакции с участием водорода, и суммарная энергия нейтрализации складывается именно из них.

"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 смешиваем исходные реагенты нагревается", — приводятся в пресс-релизе РХТУ слова первого автора работы Павла Локтионова, сотрудника лаборатории электроактивных материалов и химических источников энергии.

"В нейтрализационной батарее мы проводим точно ту же реакцию, но только разбиваем ее на две полуреакции и разносим их в пространстве. На одном электроде протекает одна полуреакция, на другом другая, а 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. Поначалу эта идея кажется каким-то трюком, уловкой, в которой электричество получается почти из ничего, но потом видишь, что батарея работает: она запасает и высвобождает электричество в полном соответствии с формулами и здравым смыслом", — объясняет ученый.

Поток водорода в этой системе закольцован — при заряде он выделяется слева на катоде и потребляется справа на аноде. Точно так же закольцован и поток электронов — они наоборот выделяются справа на аноде, уходят во внешнюю цепь, там совершают полезную работу, а потом приходят на катод, чтобы поучаствовать в реакции восстановления H+. Наконец в третью часть батареи, расположенную посередине, приходят ионы Na+ и Cl-, образовавшиеся при диссоциации кислоты и щелочи. Там они объединяются в соль NaCl, как и должность быть в реакции нейтрализации. При этом все эти потоки можно направить в обратную сторону, тогда батарея будет не разряжаться, а заряжаться.

Авторы доказали принципиальную возможность перезарядки такого устройства, а его удельная мощность составила 6 мВт/см2 — это один из самых высоких показателей среди нейтрализационных батарей.