Гибридный аккумулятор накапливает электроэнергию и синтезирует полезные вещества

Исследователи разработали аккумуляторную систему на основе гибридного элемента, который не только накапливает электроэнергию, но и производит в проточной системе ценные химические вещества. Во время работы фурфурол-никель-гидроксидный аккумулятор преобразует молекулярный фурфурол из биомассы либо в фурфуриловый спирт, либо в фуроновую кислоту.


Фурфурол, он же 2-фуранкарбальдегид, он же фурфураль получил название от латинского furfur — «отруби». Вещество относится к альдегидам и представляет собой жидкость с запахом свежего ржаного хлеба или миндаля. Фурфурол получают из пентозных сахаров, распространённых в сельскохозяйственной биомассе, и он считается важным базовым химическим веществом. Фурфурол может окисляться до фуровой кислоты, консерванта для пищепрома и промежуточного продукта в синтезе медикаментов и ароматизаторов. При восстановлении фурфурол превращается в фурфуриловый спирт, предшественник смол, ароматизаторов и лекарств.

Хаохун Дуань и команда исследователей из Университета Цинхуа в Пекине преуспели в получении двух веществ — фурфурилового спирта и фуроновой кислоты — во время работы гибридного проточного аккумулятора. Исследование опубликовали в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Технологический прорыв воплотился в металлическом катализаторе для анода. Изготовленный из одноатомного сплава родий-медь, катализатор при зарядке аккумулятора плавно превращает содержащийся в электролите фурфурол в фурфуриловый спирт, а при разрядке аккумулятора образуется фуроновая кислота. Для катода исследователи подобрали материал из гидроксида никеля, легированного кобальтом. Аналогичный материалам используют для катодов в традиционных никель-цинковых или никель-металлогидридных батареях.

Благодаря новой сборке получилась аккумуляторная система двойного назначения: после зарядки через солнечный элемент четыре последовательно соединенных гибридных аккумулятора могли заряжать, например, светодиодные фонари и смартфоны. При этом в батарее непрерывно вырабатывались фурфуриловый спирт и фуроновая кислота, которые отводили с помощью проточной системы.

Авторы обнаружили, что новый гибридный аккумулятор сравним с рядом обычных аккумуляторов с точки зрения плотности энергии и энергопотребления. Но вместе с тем он с экономической эффективностью выдаёт химические вещества. При накоплении 1 кВт⋅ч энергии вырабатывается 0,7 кг фурфурилового спирта и 1 кг фуроновой кислоты, а система вместе с тем обеспечивает мощность 0,5 кВт⋅ч, так что, к примеру, холодильник может работать пару часов. Однако в научной статье уточнили, что фурфурол при этом подаётся в систему постоянно, и продукты химической реакции от электролита необходимо отделять всё время.

Гибридная концепция китайских учёных — это шаг к повышению экологичности и экономической эффективности перезаряжаемых батарей. Впрочем, концепция ещё нуждается в доработке.