Βιωσιμότητα
Νέα Μονοπάτια για μια Πιο Αποτελεσματική Παραγωγή Υδρογόνου Ανακαλύπτονται
Βρίσκοντας τον Σωστό Καταλύτη Υδρογόνου
Το υδρογόνο θα μπορούσε, σε θεωρία, να είναι ένα τέλειο καύσιμο για την αποθήκευση ενέργειας και τις εφαρμογές που είναι δύσκολο να ηλεκτροδοτηθούν. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι παρουσιάζει μερικά σχεδόν ιδανικά χαρακτηριστικά:
- Το παραπροϊόν της καύσης του είναι μόνο νερό
- Και το ίδιο μπορεί να ειπωθεί όταν χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε κυψελίδες καυσίμου.
- Μπορεί να καίγεται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας το μια καλή εναλλακτική λύση για το φυσικό αέριο στη μεταλλουργία, τις χημικές διεργασίες κ.λπ.
- Απαιτεί μόνο νερό ως πηγή για την παραγωγή του.
- Το υδρογόνο είναι خود μη τοξικό και μη ρυπογόνο.
Ωστόσο, η άνοδος μιας οικονομίας υδρογόνου έχει εμποδιστεί από τη δυσκολία παραγωγής υδρογόνου με οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το μεγαλύτερο μέρος του πράσινου υδρογόνου (παραγόμενου από πράσινη ενέργεια) παράγεται μέσω ηλεκτρόλυσης, μια διαδικασία που για τώρα είναι κυρίως βασισμένη σε ακριβούς καταλύτες όπως το πλατίνα, το ρουθήνιο ή το ιρίδιο, κάθε ένα από τα οποία είναι σπάνια και ακριβά μέταλλα.
Εάν δεν υπάρχει καλύτερος τρόπος παραγωγής υδρογόνου, είναι απίθανο ότι θα καταφέρουμε να το αντικαταστήσουμε τα οσικά καύσιμα σε μεγάλη κλίμακα.
Ευτυχώς, αυτό αλλάζει γρήγορα. Προηγουμένως, καλύψαμε μερικές από αυτές τις δυνατότητες, ιδιαίτερα τη μετατροπή πλαστικών αποβλήτων σε υδρογόνο, χρησιμοποιώντας نانορόδες νικελίου ως εναλλακτικό καταλύτη, ή χρησιμοποιώντας σκραπ μετάλλων τιτανίου και νικελίου (σκραπ) που παράγονται κατά τη διαδικασία κατασκευής μερών μετάλλων. Νέες επιλογές προστίθενται τώρα από ερευνητές.
Το πρώτο είναι η δημιουργία αυτο-βελτιωμένων καταλυτών1 από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg (Γερμανία) και Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Ντάρμστατ (Γερμανία), Ινστιτούτο Πολυμερούχων του Μαξ Πλανκ (Γερμανία), Ινστιτούτο Τεχνολογίας Χαρμπίν (Κίνα) και Πανεπιστήμιο Σαντόνγκ (Κίνα). Δημοσιεύθηκε στο Angewandte Chemie με τον τίτλο “Αυτο-βελτιωμένοι Καταλύτες Κοβαλτίου-Βολφραμίου για την Ενισχυμένη Ανάπτυξη Οξυγόνου σε Αλκαλικό Μέσο“.
Το δεύτερο είναι η εφεύρεση μιας μεθόδου για τη μετατροπή λυμάτων σε πράσινο υδρογόνο και ζωοτροφή2 από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Νανγιάνγκ Τεχνολογίας (Σιγκαπούρη), Πανεπιστήμιο Μόνας (Αυστραλία) και Πανεπιστήμιο Χονγκ Κονγκ (Κίνα). Δημοσιεύθηκε στο Nature Water με τον τίτλο “Ηλιακός-κίνητος ηλεκτρομετασχηματισμός λυμάτων σε συνδυασμό με βιολογική διέλευση για την παραγωγή πράσινου τροφίμου και υδρογόνου“.
Επίλυση Προβλημάτων Καταλυτών Υδρογόνου
Ένα επαναλαμβανόμενο πρόβλημα με όλους τους καταλύτες παραγωγής υδρογόνου είναι ότι υποβαθμίζονται με τον καιρό. Αυτό μπορεί να οφείλεται στη δημιουργία ενός καταθέματος στο αντιδραστικό μέταλλο ή στο ίδιο το μέταλλο που υποβαθμίζεται και χάνει συστατικά σε κάθε κύκλο καταλυτικής αντίδρασης.
Αυτό είναι ιδιαίτερα προβληματικό για ακριβούς καταλύτες της ομάδας μετάλλων του πλατίνα, αλλά είναι επίσης ένα πρόβλημα για άλλους τύπους μεταλλικών καταλυτών.
Έτσι, είναι σημαντικό ότι οι Γερμανοί και Κινέζοι ερευνητές της πρώτης μελέτης που συζητήθηκε εδώ έχουν παρατηρήσει αυτο-βελτιωμένη συμπεριφορά με τους νέους καταλύτες τους.
“Το που είναι τόσο μοναδικό για τον καταλύτη μας είναι ότι στην πραγματικότητα βελτιώνει την απόδοσή του με τον καιρό, ενώ οι συμβατικοί καταλύτες είτε διατηρούν την απόδοσή τους σε σταθερό ρυθμό είτε χάνουν κάποια από την απόδοσή τους λόγω της ελλιπής αντοχής τους.”
Δρ. Ντάνταν Γκάο – Επικεφαλής Ερευνών στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg Mainz
Καταλυτική Ανάπτυξη Κοβαλτίου-Βολφραμίου
Λύση του Προβλήματος Παραγωγής Υδρογόνου
Οι ερευνητές εστιάστηκαν σε οξείδια μετάλλων μετάπτωσης 3d έως 5d, διαμορφωμένα ως μεικτά μέταλλα.
Αυτά είναι σε θέση να εκτελέσουν μια χημική αντίδραση που ονομάζεται αντίδραση ανάπτυξης οξυγόνου (OER), η οποία είναι το μισό της αντίδρασης που συμβαίνει κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης του νερού σε υδρογόνο, και στις δύο πιο κοινοί σχεδιασμοί ηλεκτρολυτών (AEM και PEM ηλεκτρολυτές).
Πηγή: SpectroInlet
“Υπάρχουν δύο αντίδρασεις κατά τη διάρκεια της διάσπασης του νερού. Η αντίδραση ανάπτυξης υδρογόνου (HER), η οποία παράγει αέριο υδρογόνο, και η αντίδραση ανάπτυξης οξυγόνου (OER), η οποία παράγει αέριο οξυγόνου. Η OER αντιπροσωπεύει το μπουκάλι για την整ρη αντίδραση. Đó είναι γιατί είμαστε τόσο αφοσιωμένοι στην ανάπτυξη ενός καταλύτη που μπορεί να προωθήσει την ημι-αντίδραση OER.”
Δρ. Ντάνταν Γκάο – Επικεφαλής Ερευνών στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg Mainz
Ωστόσο, αυτοί οι νέοι πιθανικοί καταλύτες είναι ακόμη κακώς κατανοητοί, με λίγη γνώση για το τι ακριβώς συμβαίνει στο ατομικό επίπεδο κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, ή ακόμη και την ηλεκτροχημική μορφή που λαμβάνει το μέταλλο.
Αυτή η έλλειψη κατανόησης είναι ένα μεγάλο εμπόδιο για την ανάπτυξη μιας εμπορικά βιώσιμης λύσης, καθώς επίσης περιορίζει την ικανότητα να προσαρμοστούν οι καταλύτες σε一个 σταθερό υπόστρωμα.
Μέθοδος Καταθέματος σε Ένα Βήμα
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα υπόστρωμα οξειδίου του χαλκού (L−CuO) με διάμετρο 3–5 μm, παλαιότερα αναπτυγμένο στο εργαστήριό τους το 2020.
Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν μια χημική μέθοδο καταθέματος για να δημιουργήσουν ένα στρώμα από κράμα κοβαλτίου-βολφραμίου στην επιφάνεια του υποστρώματος του χαλκού.
Πηγή: Angewandte Chemie
Συνοδευτικές αναλύσεις αποκάλυψαν τις σύνθετες μικροσκοπικές δομές του υλικού, χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων X-ray (XPS), φασματοσκοπία Fourier Transform με μερική ανάκλαση (ATR-FTIR) και φασματοσκοπία Raman.
Επίσης, επιβεβαιώθηκε ότι ο καταλύτης είναι πολύ σταθερά συνδεδεμένος με το υπόστρωμα του χαλκού.
“Η ανάπτυξη βιώσιμων και κλιμακωτών μεθόδων καταθέματος είναι της μεγίστης τεχνολογικής, οικονομικής και οικολογικής σημασίας, επιτρέποντας τη σταθερή άγκυρα των προ-καταλυτών OER σε επιλεγμένα υποστρώματα με υψηλή μηχανική ακεραιότητα”
Πηγή: Angewandte Chemie
Αυτο-βελτιωμένος Καταλύτης
Από αυτές τις εξαιρετικά λεπτομερείς παρατηρήσεις, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα ιόντα του κοβαλτίου μεταβαίνουν από τη μορφή Co2+ στη μορφή Co3+. Ταυτόχρονα, τα ιόντα του βολφραμίου μετακινούνται από τη μορφή W5+ στη μορφή W6+.
Ως αποτέλεσμα, με τον καιρό, το ηλεκτροχημικά ενεργό μέρος του καταλύτη μεταφέρεται από τον ενεργό χώρο του βολφραμίου στον ενεργό χώρο του κοβαλτίου.
Πηγή: Angewandte Chemie
Ο καταλύτης αλλάζει επίσης όσον αφορά την υδροφιλικότητά του, ή την ικανότητά του να προσελκύει νερό (το καύσιμο για την παραγωγή υδρογόνου): με τον καιρό, γίνεται πιο υδροφιλικός.
“Συνολικά, καταγράψαμε σημαντικά μειωμένα υπερπο텐シャル και αυξημένα ρεύματα πυκνότητας συνοδευόμενα από μια σημαντική αύξηση της κινητικής OER. Όλα αυτά είναι θετικά νέα για την παραγωγή υδρογόνου του μέλλοντος.”
Δρ. Ντάνταν Γκάο – Επικεφαλής Ερευνών στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg Mainz
Αυτό θα πρέπει να είναι ένα ισχυρό βήμα για την καθιστά τους οξείδες μετάπτωσης μετάλλων βιώσιμους καταλύτες για την παραγωγή υδρογόνου.
Όχι μόνο αυτό δείχνει ότι η ομάδα των επιστημόνων έχει αναπτύξει ένα βιώσιμο υπόστρωμα για τον καταλύτη, αλλά και ότι τέτοιοι καταλύτες μπορούν να είναι υπερ-σταθεροί και ακόμη και να βελτιωθούν με τον καιρό.
Επίσης, παρέχει το θεωρητικό πλαίσιο για την αξιολόγηση του potencial άλλων συνδυασμών μετάλλων μετάπτωσης που δεν είναι ακόμη τόσο καλά κατανοητοί όσο ο κοβάλτιο-βόλφραμος τώρα είναι.
Χωρίς Ανάγκη για Καταλυτική Ανάπτυξη;
Αντιμετώπιση των Λυμάτων των Πόλεων
Εν τω μεταξύ, η παραγωγή υδρογόνου θα μπορούσε επίσης να αρχίσει να προέρχεται από τις τεράστιες ροές αποβλήτων που παράγουν οι πόλεις μας. Αυτό είναι τουλάχιστον η концепция που εξερευνάται από Σιγκαπουριανούς, Κινέζους και Αυστραλούς ερευνητές.
Εστιάστηκαν στα λύματα, ένα τοξικό παραπροϊόν της καθαρισμού των υδάτων. Αυτά τα λύματα είναι εξαιρετικά δύσκολα να επεξεργαστούν και να αποθηκευτούν λόγω της σύνθετης δομής, σύνθεσης και ρύπων όπως τα βαρέα μέταλλα και τα παθογόνα.
Περισσότερα από 100 εκατομμύρια τόνους λυμάτων παράγονται παγκοσμίως κάθε χρόνο. Οι συνήθεις μέθοδοι διάθεσης – όπως η καύση ή η διάθεση σε χωματερές – είναι χρονοβόρες, ενεργειακά ανεπαρκείς και συνεισφέρουν στη ρύπανση του περιβάλλοντος.
Αντίθετα, θα μπορούσε να γίνει μια πηγή ζωοτροφής και υδρογόνου ταυτόχρονα.
Μετατροπή Λυμάτων σε Πόρους
Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια 3-βήματη διαδικασία για την επεξεργασία των λυμάτων.
Πρώτα, τους λύματα διασπώνται σε υγρή μορφή. Στη συνέχεια, αφαιρούν τα βαρέα μέταλλα από το οργανικό υλικό μέσω μιας χημικής θεραπείας.
Στη συνέχεια, χρησιμοποιούν μια ηλεκτροχημική διαδικασία για να μετατρέψουν τα οργανικά υλικά σε πολύτιμα προϊόντα: οξικό οξύ και αέριο υδρογόνο, χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα ηλεκτρόδια.
Τέλος, ταΐζουν μια κουλτούρα βακτηρίων που μπορούν να εκμεταλλευτούν το φως (κυανοβακτήρια) για να μετατρέψουν το υπόλοιπο οργανικό περιεχόμενο σε μονόκλωνες πρωτεΐνες κατάλληλες για ζωοτροφή.
Και τα δύο βήματα είναι είτε απευθείας (στην περίπτωση των βακτηρίων) είτε έμμεσα με ηλιακούς πάνελς (στην περίπτωση της ηλεκτροχημικής θεραπείας) τροφοδοτούμενα από ηλιακή ενέργεια.
Αυτό καθιστά ολόκληρη τη διαδικασία ανακύκλωσης λυμάτων εντελώς άνευ άνθρακα, και στην πραγματικότητα άνευ άνθρακα, καθώς αποφεύγονται οι εκπομπές άνθρακα από την τυπική επεξεργασία λυμάτων και αντικαθιστώνται άλλες πηγές καυσίμων για οξικό οξύ, υδρογόνο και ζωοτροφή.
Το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή καθαρής ενέργειας, και το οξικό οξύ είναι ένα βασικό συστατικό για την παραγωγή τροφίμων και φαρμάκων.
Πηγή: Nature Water
Υψηλή Απόδοση
Αυτή η μέθοδος έχει αποδειχθεί ότι ανακτά το 91,4% του οργανικού άνθρακα στα λύματα και μετατρέπει το 63% του οργανικού άνθρακα σε μονόκλωνες πρωτεΐνες.
Αυτό είναι πολύ υψηλότερο από την παραδοσιακή αναερόβια διάσπαση, η οποία συνήθως ανακτά και μετατρέπει περίπου το 50% των οργανικών υλικών στα λύματα.
Συνολικά, αυτό μειώνει τις εκπομπές άνθρακα κατά 99,5% και την ενεργειακή κατανάλωση κατά 99,3% σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους.
“Ελπίζουμε ότι η προτεινόμενη μέθοδος μας δείχνει τη βιωσιμότητα της διαχείρισης αποβλήτων και να αλλάξει τον τρόπο που τα λύματα θεωρούνται — από απόβλητα σε einen πολύτιμο πόρο που υποστηρίζει καθαρή ενέργεια και βιώσιμη παραγωγή τροφίμων.”
Δρ Zhao Hu, Ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Νανγιάνγκ Τεχνολογίας
Επιπλέον, αυτή η νέα μέθοδος δείχνει ότι μια επανάσταση στον τρόπο που αντιμετωπίζονται τα λύματα στον κόσμο είναι δυνατή, αφαιρώντας τα βαρέα μέταλλα (ίσως για μελλοντική ανακύκλωση;) και παράγοντας χρήσιμα οξικό οξύ, υδρογόνο και ζωοτροφή όλα μαζί.
Συμπέρασμα
Μια οικονομία υδρογόνου θα είναι πιθανότατα μια με ένα σύνθετο πλέγμα διαφόρων πηγών υδρογόνου.
Πιθανότατα, η μία από αυτές θα είναι προηγμένοι καταλύτες που εκτελούν την ηλεκτρόλυση του νερού σε υδρογόνο, χωρίς να απαιτούν ακριβούς και σπάνιους καταλύτες. Αυτό θα φέρει το κόστος του υδρογόνου αρκετά χαμηλά, ώστε να γίνει οικονομικά βιώσιμη εναλλακτική λύση για τα οσικά καύσιμα και άλλες πράσινες εναλλακτικές.
Μια άλλη πιθανή πηγή είναι η καλύτερη αξιοποίηση των εκατομμυρίων τόνων αποβλήτων που παράγονται από τη γεωργία, τα λύματα και άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες. Καθώς αυτά τα απόβλητα χρειάζονται επεξεργασία σε κάθε περίπτωση, είναι πολύ καλύτερο να αρχίσουμε να τα επεξεργαζόμαστε με τέτοιο τρόπο, ώστε να αφαιρεθούν οι ρύποι (όπως τα βαρέα μέταλλα) και να δημιουργηθούν νέα χρήσιμα προϊόντα.
Και αν αυτό γίνεται αποκλειστικά με ηλιακή ενέργεια, το καλύτερο.
Εταιρεία Καταλυτών Βολφραμίου
Το βόλφραμio αναδύεται σταδιακά όχι μόνο ως ένα siêu-ανθεκτικό μέταλλο, που χρησιμοποιείται στη βαρέα βιομηχανία και τον αμυντικό τομέα, αλλά και ως ένας ισχυρός καταλύτης για τη χημική βιομηχανία και για την παραγωγή υδρογόνου.
Μπορεί να γίνει ένας ισχυρός υπεραγωγός υψηλής θερμοκρασίας όταν είναι συνυφασμένος στη σωστή μοριακή διαμόρφωση.
Μπορείτε να διαβάσετε μια τεχνική και επενδυτική επισκόπηση για αυτόν τον πόρο στο “Βόλφραμιο – Το Μυστικό Υψηλής Τεχνολογίας Μέταλλο“.
Είναι επίσης ένα μέταλλο του οποίου η αλυσίδα εφοδιασμού είναι σχεδόν εξ ολοκλήρου ελεγχόμενη από την Κίνα, με μια εξαίρεση, την Almonty Industries.
Almonty Industries
(AII.TO )
Η Almonty είναι ένας εξορύκτης βολφραμίου που目前 παράγει από μια ορυχείο στην Πορτογαλία, σε λειτουργία για τα τελευταία 125 χρόνια.
Η εταιρεία έχει εργαστεί για την επέκταση του ορυχείου στην Πορτογαλία και κατέχει ανεπτυγμένα αποθέματα στην Ισπανία.
Πηγή: Almonty
Το πιο σημαντικό έργο της εταιρείας είναι η συνεχιζόμενη ανάπτυξη ενός νέου ορυχείου στο Sangdong, στη Νότια Κορέα. Το ορυχείο περιέχει περισσότερα υποτιθέμενα αποθέματα από όλα τα άλλα αποθέματα μαζί.
Πηγή: Almonty
Ως ένας από τους λίγους ενεργούς και παραγωγούς εξορύκτες βολφραμίου στις δυτικές χώρες, η Almonty είναι ένας βασικός στρατηγικός προμηθευτής για τον αμυντικό τομέα. Έτσι, είναι μια σημαντική εταιρεία για τη μείωση της εξάρτησης από την κινεζική προμήθεια.
Η τοποθεσία του ορυχείου Sangdong την καθιστά ιδανικό προμηθευτή για τον αμυντικό τομέα, με τη Νότια Κορέα να είναι ένας νέος γίγαντας στη μαζική παραγωγή “χαμηλής τεχνολογίας” στρατιωτικού εξοπλισμού όπως τανκς, πυροβόλα και βόμβες (σε σύγκριση με τα αεροσκάφη, τα αεροπλανοφόρα κ.λπ.).
“Ενώ η Κίνα προετοιμάζεται να ανοίξει ένα τεράστιο ορυχείο βολφραμίου στο Καζακστάν, η Almonty είναι έτοιμη να «μετατοπίσουν» την πολιτική που αφορά την ασφάλεια του βολφραμίου, όταν το ορυχείο Sangdong της Almonty Korea Tungsten Project αρχίσει να λειτουργεί μέσα σε λίγους μήνες. Όταν αρχίσει την παραγωγή, θα είναι ένα από τα μεγαλύτερα ορυχεία βολφραμίου στον κόσμο, αντιπροσωπεύοντας το 30% της μη κινεζικής προμήθειας.”
Lewis Black, διευθυντής, πρόεδρος και CEO της Almonty Industries
Η Almonty θα αρχίσει να παράγει βόλφραμιο από το ορυχείο της Koreas μέσα στο 2025.
Λόγω της στρατηγικής της θέσης ως ουσιαστικά ο μόνος μεγάλος προμηθευτής στη Δύση, η Almonty προσφέρθηκε μια εγγυημένη τιμή από την Plansee. Η Plansee είναι ένας κατασκευαστής υψηλής απόδοσης μετάλλων και ένας από τους μεγαλύτερους πελάτες της Almonty, καθώς και ο ιδιοκτήτης του 15% της εταιρείας.
Η ελάχιστη εγγυημένη τιμή ήταν $235/MTU (μετρική τόνου μονάδας), χωρίς ανώτερο όριο. Καθώς το ορυχείο Sangdong στοχεύει σε έξοδα 110/mtu, αυτό θα εξασφαλίσει μια υψηλή κερδοφορία για το έργο.
Με μια τυχερή, σχεδόν τέλεια συγχρονισμό μεταξύ της επικείμενης έναρξης του Sangdong και ενός νέου εμπορικού πολέμου μεταξύ των ΗΠΑ του Τραμπ και της Κίνας, η τιμή του μετοχικού κεφαλαίου ανταποκρίθηκε ισχυρά και αυξήθηκε κατά 40% σε μόλις 2 ημέρες μετά την ανακοίνωση των περιορισμών εξαγωγής βολφραμίου από την Κίνα.
Καθώς το βόλφραμιο γίνεται ολοένα και πιο σημαντικό για τις υψηλής τεχνολογίας εφαρμογές, καθώς και οι γεωπολιτικές εντάσεις παραμένουν υψηλές, η ασφαλής, μη κινεζική προμήθεια βολφραμίου είναι πιθανό να δημιουργήσει μια σταθερή πριμοδότηση, με την Almonty να είναι ένας από τους ισχυρότερους bénéficiaries.
Αναφορά Μελέτης:
1. Christean Nickel et al. (2025) Αυτο-βελτιωμένοι Καταλύτες Κοβαλτίου-Βολφραμίου για την Ενισχυμένη Ανάπτυξη Οξυγόνου σε Αλκαλικό Μέσο. Angewandte Chemie. 05 Φεβρουαρίου 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074
2. Hu Zhao, et al. (2024) Ηλιακός-κίνητος ηλεκτρομετασχηματισμός λυμάτων σε συνδυασμό με βιολογική διέλευση για την παραγωγή πράσινου τροφίμου και υδρογόνου. Nature Water. Τόμος 2, σελίδες 1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z
