Ниобий используется в качестве катализатора в топливном элементе

Бразилия является крупнейшим в мире производителем ниобия и имеет около 98 процентов активных запасов на планете. Этот химический элемент используется в металлических сплавах, особенно в высокопрочной стали, и в практически неограниченном количестве высокотехнологичных приложений от сотовых телефонов до авиационных двигателей.

Страна экспортирует большую часть ниобия, который производит в форме таких товаров, как феррониобий.

Другим веществом, которое Бразилия также имеет в обильных количествах, но недооценивает его, является глицерин, побочный продукт омыления масла и жира в производстве мыла и моющих средств и реакций переэтерификации в биодизельной промышленности.

В этом случае ситуация хуже, потому что глицерин часто выбрасывается в отходы, а правильная утилизация больших объемов является сложной.

Исследование, проведенное в Федеральном университете ABC (UFABC) в штате Сан-Паулу, Бразилия, объединило ниобий и глицерин в многообещающем технологическом решении для производства топливных элементов. Статья, описывающая исследование, озаглавленная «Ниобий усиливает электрокаталитическую активность Pd в щелочных топливных элементах с прямым глицерином», опубликована в ChemElectroChem и размещена на обложке журнала.

«В принципе, элемент будет работать как глицериновая батарея для подзарядки небольших электронных устройств, таких как сотовые телефоны или ноутбуки. Он может использоваться в областях, не охваченных электрической сетью. Позже технология может быть адаптирована для работы электромобилей и даже для электроснабжения домов. В долгосрочной перспективе возможны неограниченные возможности применения», — сказал первый автор статьи химик Фелипе де Моура Соуза. Соуза имеет прямую докторскую стипендию от Исследовательского фонда Сан-Паулу — FAPESP.

В ячейке химическая энергия от реакции окисления глицерина в аноде и восстановления кислорода воздуха в катоде преобразуется в электричество, оставляя только углерод и воду в качестве остатков. Полной реакцией является C₃H₈O₃ (жидкий глицерин) + 7/2 O₂ (газообразный кислород) → 3 CO₂ (газообразный углерод) + 4 H₂O (жидкая вода). Схематическое представление процесса показано ниже.

«Ниобий (Nb) участвует в процессе в качестве сокатализатора, способствуя действию палладия (Pd), используемого в качестве анода топливного элемента. Добавление ниобия позволяет уменьшить количество палладия вдвое, что снижает стоимость элемента.»

«В то же время он значительно увеличивает мощность элемента, но его основной вклад заключается в уменьшении электролитического отравления палладия в результате окисления промежуточных продуктов, которые сильно адсорбируются при длительной работе элемента, таких как окись углерода», — сказал Мауро Коэльо душ Сантуш, профессор UFABC.

С экологической точки зрения, которая более чем когда-либо должна стать решающим критерием для выбора технологий, глицериновый топливный элемент считается эффективным решением, поскольку он может заменить двигатели внутреннего сгорания, работающие на ископаемом топливе.

Felipe M. Souza et al, Niobium Enhances Electrocatalytic Pd Activity in Alkaline Direct Glycerol Fuel Cells, ChemElectroChem (2019). DOI: 10.1002/celc.201901254