Νέοι Δρόμοι για Πιο Αποδοτική Παραγωγή Υδρογόνου Ανακαλύφθηκαν

Εύρεση του Κατάλληλου Καταλύτη Υδρογόνου

Θεωρητικά, το υδρογόνο θα μπορούσε να είναι ένα ιδανικό καύσιμο για την αποθήκευση ενέργειας και την τροφοδοσία εφαρμογών που είναι δύσκολο να εξηλεκτριστούν. Αυτό οφείλεται στο ότι διαθέτει ορισμένα σχεδόν ιδανικά χαρακτηριστικά:

• The byproduct of its combustion is only water
  • And the same can be said when it is used to produce electricity in fuel cells.
• It can burn at very hot temperatures, making it a good alternative to natural gas in metallurgy, chemical processes, etc.
• It only requires water as a resource for its production.
• Hydrogen is itself non-toxic and non-polluting.

Ωστόσο, η άνοδος μιας οικονομίας βασισμένης στο υδρογόνο έχει εμποδιστεί από τη δυσκολία παραγωγής υδρογόνου με οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Αυτό οφείλεται στο ότι η πλειονότητα του πράσινου υδρογόνου (παραγόμενου από πράσινη ενέργεια) παράγεται μέσω ηλεκτρόλυσης, μιας διαδικασίας που προς το παρόν βασίζεται κυρίως σε ακριβά καταλύτες όπως το πλατίνα, το ρουθένιο ή το ιρίδιο, τα οποία είναι πολύ σπάνια και ακριβά μέταλλα.

Έτσι, όσο δεν υπάρχει καλύτερη μέθοδος παραγωγής υδρογόνου, είναι απίθανο να το δούμε να αντικαθιστά τα ορυκτά καύσιμα σε μεγάλη κλίμακα.

Ευτυχώς, αυτό αλλάζει γρήγορα. Προηγουμένως καλύψαμε μερικές από αυτές τις δυνατότητες, ιδιαίτερα μετατροπή πλαστικών αποβλήτων σε υδρογόνο, νανοράβδοι νικελίου ως εναλλακτικό καταλύτη, ή απορρίμματα τιτανίου και νικελίου (σφουάρ) (σφουάρ) που παράγονται κατά την κατασκευή μεταλλικών εξαρτημάτων. Κάποιες νεότερες επιλογές προστίθενται τώρα από ερευνητές.

Η πρώτη είναι η δημιουργία αυτο-βελτιστοποιούμενων καταλυτών¹ από ερευνητές του Πανεπιστημίου Johannes Gutenberg (Γερμανία) και του Τεχνικού Πανεπιστημίου του Darmstadt (Γερμανία), του Ινστιτούτου Max Planck για την Πολυμερική Έρευνα (Γερμανία), του Ινστιτούτου Τεχνολογίας Harbin (Κίνα) και του Πανεπιστημίου Shandong (Κίνα). Δημοσιεύθηκε στο Angewandte Chemie με τίτλο “Αυτο-βελτιστοποιούμενοι Καταλύτες Οξείδιο Κοβάλτιου-Τανγκόνιου για Βελτιωμένη Εξέλιξη Οξυγόνου σε Αλκαλικό Μέσο.”

Η δεύτερη είναι η εφεύρεση μιας μεθόδου για τη μετατροπή λυμάτων απορριμμάτων σε πράσινο υδρογόνο και ζωοτροφές² από ερευνητές του Πανεπιστημίου Nanyang Technological (Σιγκαπούρη), του Monash University (Αυστραλία) και του Πανεπιστημίου του Χονγκ Κονγκ (Κίνα). Δημοσιεύθηκε στο Nature Water με τίτλο “Ηλιακά-οδηγούμενη ηλεκτροαναμόρφωση λυμάτων απορριμμάτων σε συνδυασμό με βιολογική διεύθυνση για τη συν-παραγωγή πράσινης τροφής και υδρογόνου”.

Διόρθωση Καταλυτών Υδρογόνου

Ένα επαναλαμβανόμενο πρόβλημα με όλους τους καταλύτες παραγωγής υδρογόνου είναι ότι φθείρονται με την πάροδο του χρόνου. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε απόθεση που σχηματίζεται στα αντιδραστικά μέταλλα, ή στην ίδια τη μεταλλική στρώση που σταδιακά φθείρεται και χάνει συστατικά σε κάθε κύκλο καταλυτικής αντίδρασης.

Αυτό είναι ιδιαίτερα προβληματικό για ακριβά καταλύτες της ομάδας των μετάλλων του πλατινίου, αλλά αποτελεί επίσης ζήτημα για άλλους τύπους καταλυτών βασισμένων σε μέταλλα.

Έτσι, είναι σημαντικό ότι οι Γερμανοί και Κινέζοι ερευνητές της πρώτης μελέτης που συζητείται εδώ έχουν παρατηρήσει αυτο-βελτιστοποιούμενη συμπεριφορά με τους νέους τους καταλύτες.

“Το μοναδικό για τον καταλύτη μας είναι ότι στην πραγματικότητα βελτιώνει την απόδοσή του με την πάροδο του χρόνου, ενώ οι συμβατικοί καταλύτες είτε διατηρούν την απόδοσή τους σε σταθερό ρυθμό είτε ακόμη χάνουν μέρος της απόδοσής τους επειδή δεν είναι επαρκώς ανθεκτικοί,”
Dr. Dandan Gao – Research Lead at Johannes Gutenberg University Mainz

Καταλυτική Δράση Κοβάλτιου-Τανγκόνιου

Αντιμετώπιση του Στενού Σημείου στην Παραγωγή Υδρογόνου

Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε λεγόμενα οξείδια μετάλλων μετάβασης 3d έως 5d, διαμορφωμένα ως μίγματα μετάλλων.

Αυτά είναι ικανά να εκτελούν μια χημική αντίδραση που ονομάζεται αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου (OER), η οποία αποτελεί το ήμισυ της αντίδρασης που συμβαίνει κατά την ηλεκτρόλυση του νερού σε υδρογόνο, και στις δύο πιο κοινές σχεδιάσεις ηλεκτρολυτών (ηλεκτρολύτες AEM και PEM).

 “Υπάρχουν δύο αντιδράσεις κατά τη διάσπαση του νερού. Η αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου (HER), η οποία παράγει αέριο υδρογόνου, και η αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου (OER), η οποία παράγει αέριο οξυγόνου. Η OER αποτελεί το στενό σημείο για ολόκληρη την αντίδραση. Γι’ αυτό είμαστε τόσο αφοσιωμένοι στην ανάπτυξη ενός καταλύτη που μπορεί να προάγει τη μισή αντίδραση OER.”
Dr. Dandan Gao – Research Lead at Johannes Gutenberg University Mainz

Ωστόσο, αυτοί οι νέοι πιθανοί καταλύτες είναι ακόμη κακώς κατανοητοί, με λίγες γνώσεις για το τι ακριβώς συμβαίνει σε ατομικό επίπεδο κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, ή ακόμη για τη μορφή του μετάλλου στην ηλεκτροχημική του κατάσταση.
Αυτή η έλλειψη κατανόησης αποτελεί μεγάλο εμπόδιο στην ανάπτυξη μιας εμπορικά βιώσιμης λύσης, καθώς περιορίζει επίσης τη δυνατότητα στερέωσης των καταλυτών σε σταθερό υπόστρωμα.

Μέθοδος Κατάθεσης Μίας Στάσης

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα υπόστρωμα μικρολουλουδιού οξειδίου χαλκού (L−CuO) με διάμετρο 3–5 μm, το οποίο είχε προηγουμένως αναπτυχθεί στο εργαστήριό τους το 2020.

Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν μια χημική μέθοδο εναπόθεσης για να δημιουργήσουν μια στρώση κράματος κοβάλτιου-τανγκόνιου στην επιφάνεια του χαλκού υποστρώματος.

Οι επακόλουθες αναλύσεις αποκάλυψαν τις σύνθετες μικροσκοπικές δομές του υλικού, χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων X (XPS), φασματοσκοπία υπερβολικής απόσβεσης φάσματος Fourier (ATR-FTIR) και μετρήσεις φασματοσκοπίας Raman.

Επιβεβαίωσε επίσης ότι ο καταλύτης είναι πολύ στενά δεσμευμένος στο υπόστρωμα του χαλκού.

“Η ανάπτυξη βιώσιμων και κλιμακώσιμων προσεγγίσεων εναπόθεσης είναι εξαιρετικά σημαντική τεχνολογικά, οικονομικά και οικολογικά, επιτρέποντας τη σταθερή στερέωση προ-καταλυτών OER σε επιλεγμένα υποσχόμενα υποστρώματα με υψηλή μηχανική ακεραιότητα”
Πηγή: Angewandte Chemie

Αυτο-Βελτιστοποιούμενος Καταλύτης

Από αυτές τις εξαιρετικά λεπτομερείς παρατηρήσεις, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα ιόντα κοβάλτιου μετατρέπονται από τη μορφή Co₂⁺ στη Co³⁺. Ταυτόχρονα, τα ιόντα τανγκόνιου μεταβαίνουν επίσης από τις μορφές W5⁺ σε W6⁺.

Ως αποτέλεσμα, με την πάροδο του χρόνου, το ηλεκτροχημικά ενεργό τμήμα του καταλύτη μεταφέρεται από το ενεργό σημείο του τανγκόνιου στο ενεργό σημείο του κοβάλτιου.

Ο καταλύτης επίσης αλλάζει ως προς την επιφανειακή υδρόφιλία, ή την ικανότητά του να προσελκύει νερό (το καύσιμο για την παραγωγή υδρογόνου): με την πάροδο του χρόνου, γίνεται πιο υδρόφιλος.

“Γενικά, καταγράψαμε σημαντικά μειωμένα υπερτάσεις και αυξημένες πυκνότητες ρεύματος συνοδευόμενες από σημαντική αύξηση στην κινητική της OER. Όλα αυτά είναι θετικά νέα για την παραγωγή υδρογόνου του μέλλοντος.”
Dr. Dandan Gao – Research Lead at Johannes Gutenberg University Mainz

Αυτό θα πρέπει να αποτελεί ένα ισχυρό βήμα προς τη δημιουργία βιώσιμων καταλυτών οξειδίων μετάλλων μετάβασης για την παραγωγή υδρογόνου.

Δεν αποδεικνύει μόνο ότι η ομάδα των επιστημόνων έχει αναπτύξει ένα βιώσιμο υπόστρωμα χαλκού για τον καταλύτη, αλλά και ότι τέτοιοι καταλύτες μπορούν να είναι υπερ-σταθεροί και ακόμη να βελτιώνονται με την πάροδο του χρόνου.

Παρέχει επίσης το θεωρητικό πλαίσιο για την αξιολόγηση του δυναμικού άλλων συνδυασμών μετάλλων μετάβασης που δεν είναι ακόμη τόσο καλά κατανοητοί όσο το κοβάλτιο-τανγκόνιο.

Δεν Χρειάζεται Καταλυτική Δράση;

Διαχείριση των Λυμάτων των Πόλεων

Εν τω μεταξύ, η παραγωγή υδρογόνου θα μπορούσε επίσης να ξεκινήσει από τις τεράστιες ροές αποβλήτων που παράγουν οι πόλεές μας. Αυτό είναι τουλάχιστον η έννοια που εξετάζουν ερευνητές από τη Σιγκαπούρη, την Κίνα και την Αυστραλία.

Επικεντρώθηκαν στα λυμένα λυμάτων, ένα τοξικό παραπροϊόν του καθαρισμού των λυμάτων. Αυτά τα λυμένα είναι δυσκολότερα στην επεξεργασία και την απόρριψη λόγω της σύνθετης δομής, της σύνθεσής τους και των μολυσματικών ουσιών όπως βαρέα μέταλλα και παθογόνα.

Πάνω από 100 εκατομμύρια τόνους λυμένων λυμάτων παράγονται παγκοσμίως κάθε χρόνο. Οι κοινές μέθοδοι απόρριψης – όπως η καύση ή η ταφική διάθεση – είναι χρονοβόρες, ενεργειακά αναποτελεσματικές και συμβάλλουν στη ρύπανση του περιβάλλοντος.

Αντίθετα, θα μπορούσε να γίνει πηγή ζωοτροφής και υδρογόνου ταυτόχρονα.

Μετατροπή Λυμένων σε Πόρους

Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια διαδικασία 3 βημάτων για την επεξεργασία των λυμένων.

Πρώτα, διασπούν μηχανικά τα λυμένα σε υγρό. Στη συνέχεια αφαιρούν τα βαρέα μέταλλα από το οργανικό υλικό μέσω χημικής επεξεργασίας.

Στη συνέχεια, χρησιμοποιούν μια ηλεκτροχημική διαδικασία για να μετατρέψουν τα οργανικά υλικά σε πολύτιμα προϊόντα: οξικό οξύ και αέριο υδρογόνο, χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα ηλεκτρόδια.

Τέλος, τροφοδοτούν έναν πολιτισμό βακτηρίων που μπορούν να αξιοποιήσουν το φως (κυανοβακτήρια) για να μετατρέψουν το υπόλοιπο οργανικό περιεχόμενο σε πρωτεΐνες μονοκυτταρικού τύπου κατάλληλες για ζωοτροφή.

Τanto τα δεύτερο όσο και το τρίτο βήμα είναι είτε άμεσα (στην περίπτωση των βακτηρίων) είτε έμμεσα με ηλιακούς πίνακες (στην περίπτωση της ηλεκτροχημικής επεξεργασίας) τροφοδοτουμένα από ηλιακό φως.

Αυτό καθιστά ολόκληρη τη διαδικασία ανακύκλωσης των λυμένων εντελώς χωρίς άνθρακα, και στην πραγματικότητα αρνητική σε άνθρακα, καθώς αποφεύγει τις εκπομπές άνθρακα από την κανονική επεξεργασία των λυμένων, και αντικαθιστά άλλες πηγές βασισμένες σε ορυκτά καύσιμα για το οξικό οξύ, το υδρογόνο και τη ζωοτροφή.

Το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή καθαρής ενέργειας, και το οξικό οξύ είναι βασικό συστατικό για τις βιομηχανίες τροφίμων και φαρμακευτικών προϊόντων.

Υψηλή Απόδοση

Αυτή η μέθοδος έχει αποδειχθεί ότι ανακτά το 91,4 % του οργανικού άνθρακα στα λυμένα λυμάτων και μετατρέπει το 63 % του οργανικού άνθρακα σε πρωτεΐνες μονοκυττάρων.

Αυτό είναι πολύ υψηλότερο από την παραδοσιακή αναερόβια διάσπαση, η οποία συνήθως ανακτά και μετατρέπει περίπου το 50 % των οργανικών υλικών στα λυμένα λυμάτων.

Συνολικά, αυτό μειώνει τις εκπομπές άνθρακα κατά 99,5 % και την κατανάλωση ενέργειας κατά 99,3 % σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους.

“Ελπίζουμε ότι η προτεινόμενη μέθοδός μας δείχνει τη βιωσιμότητα της διαχείρισης αποβλήτων με βιώσιμο τρόπο και αλλάζει την αντίληψη για τα λυμένα λυμάτων — από απόβλητο σε πολύτιμο πόρο που υποστηρίζει την καθαρή ενέργεια και τη βιώσιμη παραγωγή τροφίμων.”
Dr Zhao Hu, Research fellow at Nanyang Technological University

Εκτός από αυτήν την υψηλή απόδοση, καθαρίζει επίσης τα λυμένα από βαρέα μέταλλα, τα οποία τείνουν να μολύνουν τα χωματερές στις συνήθεις μεθόδους διαχείρισής τους.
Αυτή η νέα μέθοδος υποδεικνύει ότι μια επανάσταση στον τρόπο διαχείρισης των λυμάτων παγκοσμίως είναι δυνατή, αφαιρώντας τα βαρέα μέταλλα (ίσως για μετέπειτα ανακύκλωση) και παράγοντας ταυτόχρονα χρήσιμο οξικό οξύ, υδρογόνο και ζωοτροφή.

Συμπέρασμα

Μια οικονομία υδρογόνου πιθανότατα θα είναι μια με πολύπλοκο πλέγμα διαφόρων πηγών υδρογόνου.

Πιθανότατα, θα είναι οι εξελιγμένοι καταλύτες που πραγματοποιούν την ηλεκτρόλυση του νερού σε υδρογόνο, χωρίς την ανάγκη ακριβών σπάνιων μετάλλων. Αυτό θα μειώσει το κόστος του υδρογόνου σε επίπεδο που θα το κάνει οικονομικά ανταγωνιστικό σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα και άλλες πράσινες εναλλακτικές.

Μια άλλη πιθανή πηγή είναι η καλύτερη αξιοποίηση των τεράστιων εκατομμυρίων τόνων αποβλήτων που δημιουργούνται από τη γεωργία, τα λύματα και άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες. Καθώς αυτά απαιτούν επεξεργασία ούτως ή άλλως, είναι πολύ καλύτερο να αρχίσουμε να τα επεξεργαζόμαστε με τρόπο που να αφαιρούνται οι ρύποι (όπως τα βαρέα μέταλλα) και να δημιουργούνται νέα χρήσιμα προϊόντα.

Και αν αυτό γίνει εξ ολοκλήρου με ηλιακή ενέργεια, το καλύτερο.

Εταιρεία Καταλυτών Βαρυτίτη

Ο βαρύτιτος αναδεικνύεται σταδιακά όχι μόνο ως ένα εξαιρετικά ανθεκτικό μέταλλο, που χρησιμοποιείται στη βαριά βιομηχανία και τον αμυντικό τομέα, αλλά και ως ισχυρός καταλύτης χρήσιμος για τη χημική βιομηχανία και την παραγωγή υδρογόνου.

Μπορεί ακόμη να γίνει ένας ισχυρός υπεραγωγός υψηλής θερμοκρασίας όταν υφαστεί στη σωστή μοριακή διαμόρφωση.

Μπορείτε να διαβάσετε μια τεχνική και επενδυτική επισκόπηση για αυτόν τον πόρο στο «Βαρυτίτης – Το Μυστικό Υψηλής Τεχνολογίας Μέταλλο».

Είναι επίσης ένα μέταλλο του οποίου η αλυσίδα εφοδιασμού ελέγχεται σχεδόν εξ ολοκλήρου από την Κίνα, με μία εξαίρεση, την Almonty Industries (ALM ).

Almonty Industries

Η Almonty είναι μια εταιρεία εξόρυξης βαρυτίτη που αυτή τη στιγμή παράγει κυρίως από ένα ορυχείο στην Πορτογαλία, σε λειτουργία τα τελευταία 125 χρόνια.

Η εταιρεία εργάζεται στην επέκταση του πορτογαλικού ορυχείου και κατέχει αανάπτυκτα αποθέματα στην Ισπανία.

Το πιο σημαντικό έργο της εταιρείας είναι η συνεχιζόμενη ανάπτυξη ενός νέου ορυχείου στο Sangdong, Νότια Κορέα. Το ορυχείο περιέχει περισσότερους εκτιμώμενους πόρους από όλα τα άλλα αποθέματά του μαζί.

Ως μία από τις λίγες ενεργές και παραγωγικές εταιρείες εξόρυξης βαρυτίτη στις δυτικές χώρες, η Almonty είναι ένας βασικός στρατηγικός προμηθευτής για τη βιομηχανία άμυνας. Έτσι, είναι μια σημαντική εταιρεία για τη μείωση της εξάρτησης από την κινεζική προμήθεια.

Η τοποθεσία του ορυχείου Sangdong το καθιστά τέλειο προμηθευτή για τη βιομηχανία άμυνας, με τη Νότια Κορέα, έναν νέο γίγαντα στην μαζική παραγωγή «χαμηλής τεχνολογίας» στρατιωτικού εξοπλισμού όπως τανκ, πυροβολαρχία και πυρομαχικά (σε σύγκριση με τα αεροσκάφη, αεροπλανοφόρα κ.λπ. που απαιτούν λιγότερο βαρύτιτο).

“Ενώ η Κίνα προετοιμάζεται να ανοίξει ένα τεράστιο ορυχείο βαρυτίτη στο Καζακστάν, η Almonty είναι έτοιμη να «αλλάξει ουσιαστικά την πολιτική που σχετίζεται με την εξασφάλιση βαρυτίτη» όταν το έργο Almonty Korea Tungsten Project στο Sangdong ενεργοποιηθεί μέσα σε λίγους μήνες. Όταν ξεκινήσει η παραγωγή, θα είναι ένα από τα μεγαλύτερα ορυχεία βαρυτίτη στον κόσμο, καλύπτοντας το 30 % της μη κινεζικής προσφοράς.”
Lewis Black, director, president, and CEO of Almonty Industries

Η Almonty θα πρέπει να αρχίσει την παραγωγή βαρυτίτη από το κορεατικό ορυχείο στις αρχές έως τα μέσα του 2025.

Λόγω της στρατηγικής της θέσης ως ουσιαστικά η μοναδική μεγάλη προμηθευτής στη Δύση, η Almonty έλαβε προσφορά εγγυημένης τιμής από την Plansee. Η Plansee είναι κατασκευαστής υψηλών επιδόσεων μετάλλων και ένας από τους μεγαλύτερους πελάτες της Almonty, καθώς και κάτοχος του 15 % της εταιρείας.

Η ελάχιστη εγγυημένη τιμή ήταν 235 $/MTU (μετρική μονάδα τόνου), χωρίς ανώτερο όριο. Καθώς το ορυχείο Sangdong στοχεύει σε κόστος μετρητών 110 $/mtu, αυτό θα εξασφαλίσει πρακτικά ένα υψηλό περιθώριο κέρδους για το έργο.

Με μια τυχερή, σχεδόν τέλεια χρονική σύμπτωση μεταξύ της επικείμενης έναρξης του Sangdong και ενός νέου εμπορικού πολέμου μεταξύ της Αμερικής του Trump και της Κίνας, η τιμή της μετοχής αντέδρασε έντονα και αυξήθηκε κατά 40 % σε μόλις 2 ημέρες μετά την ανακοίνωση του περιορισμού εξαγωγής βαρυτίτη από την Κίνα.

Καθώς ο βαρύτιτος γίνεται όλο και πιο σημαντικός για εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας, καθώς και για γεωπολιτικές εντάσεις, η διατήρηση υψηλής, ασφαλούς, μη κινεζικής προσφοράς βαρυτίτη είναι πιθανό να δημιουργήσει ένα σταθερό premium, με την Almonty να είναι ένας από τους ισχυρότερους ωφελούμενους.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Christean Nickel et al. (2025) Αυτο-βελτιστοποιούμενοι Καταλύτες Οξείδιο Κοβάλτιου-Τανγκόνιου για Βελτιωμένη Εξέλιξη Οξυγόνου σε Αλκαλικό Μέσο. Angewandte Chemie. 05 Φεβρουάριος 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074} 

 ^{2. Hu Zhao, et al. (2024) Ηλιακά-οδηγούμενη ηλεκτροαναμόρφωση λυμάτων απορριμμάτων σε συνδυασμό με βιολογική διεύθυνση για τη συν-παραγωγή πράσινης τροφής και υδρογόνου. Nature Water. Volume 2, pages1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}