Νέοι Δρόμοι για Πιο Αποδοτική Παραγωγή Υδρογόνου Ανακαλύφθηκαν

Εύρεση του Κατάλληλου Καταλύτη Υδρογόνου

Hydrogen could, in theory, be a perfect fuel to store energy and power applications that are hard to electrify. This is because it presents a few almost ideal characteristics:

• 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).

Πηγή: SpectroInlet

 “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.

Πηγή: Angewandte Chemie

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.

Πηγή: Angewandte Chemie