Ei-aitametallit avaavat tien edulliselle vedylle

Kun maailma siirtyy pois fossiilisista polttoaineista torjuakseen ilmaston lämpenemiskriisiä, vety nousee valokeilaan ‘tulevaisuuden polttoaineena’.

Tämä johtuu useista syistä, kuten veden runsautta, korkeampaa energiatehoa, ainoastaan veden syntymistä sivutuotteena ja minimaalista tai ei lainkaan kasvihuonekaasupäästöjä. Nämä ominaisuudet tekevät puhtaasta vedystä käyttökelpoisen monissa sovelluksissa, kuten liikenteessä, sähkön tuotannossa, lämmityksessä ja teollisuudessa, mukaan lukien teräs, kemikaalit ja sementti.

Vaikka vedyllä on valtava potentiaali yhteiskuntamme hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä, suurin osa nykyään tuotetusta H2:sta tulee itse fossiilisesta polttoaineesta (metaanista), mikä aiheuttaa merkittäviä CO2-päästöjä. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan skaalautuvia vaihtoehtoja vihreän ja puhtaan vedyn tuottamiseksi.

Tämän seurauksena käynnissä oleva tutkimus keskittyy löytämään tehokkaita ja ympäristöystävällisiä tapoja tuottaa vetyä polttoaineena. 

HER: Lupaus täyteinen polku vihreän vedyn tuotantoon

Yksi lupaavimmista tavoista tuottaa vihreää vetyä, joka on saanut merkittävää huomiota, on vesielektrolyysi.

Keskeinen reaktio, joka tapahtuu veden elektrolyysissä vedyn tuotannossa, on vetykehityksen reaktio (HER), perusprosessi elektrokemian alalla.

Veden elektrolyysi on yksinkertaisesti sähkön käyttö veden jakamiseen hapeksi (O2) ja vedyksi (H2) kaasuksi, tarjoten tehokkaan ja puhtaan tavan tuottaa vetyä polttoaineena suuressa mittakaavassa.

Pienen ohmisetoksen (joka on potentiaalienergian häviö lämmön muodossa, kun sähkövaraukset kulkevat läpi aineen), korkean virtatiheyden ja alhaisen kaasun läpäisyn ansiosta laboratoriotason HER-prosessin laajentaminen kaupalliseen protoninvaihtokalvo (PEM) -veden elektrolyysilaitteeseen tarjoaa kestävän reitin vihreään vetyyn.

PEM-elektrolyysissä vety tuotetaan veden jakamisella sähkön ja kiinteän polymeerielektrolyytin avulla. Tässä prosessissa ensin sovelletaan sähköä, jotta vesimolekyylit hajotetaan vetyioneiksi (protoneiksi), elektroneiksi ja hapeksi. Protonit liikkuvat sitten kalvon läpi, joka on protonijohtava polymeeri ja erottaa anodin ja katodin, kun taas elektronit kulkevat ulkoisessa piirissä.

Anodilla vesimolekyyli hapettuu, tuottaen vain happea, protoneja ja elektroneja. Katodilla protonit ja elektronit yhdistyvät muodostaen vetykaasua.

Tätä menetelmää käytetään vedyn tuottamiseen polttokennoja varten sekä erilaisissa teollisuusprosesseissa, kuten lannoitteiden valmistuksessa, öljynjalostuksessa ja petrokemialle.

Ongelma syntyy kuitenkin karuista käyttöolosuhteista, kuten vahvasta reduktiivisesta happamasta elektrolyyttikatalyyttirajapinnasta. Tämä ympäristö pakottaa kaupalliset PEM-elektrolyysilaitteet käyttämään platina (Pt) -katodia, joka ei ole runsasta ja on siksi kallista, jotta korkea aktiivisuus voidaan ylläpitää.

Kovat olosuhteet tekevät tällaisista katodeista (perustuen ei-aitametalleihin) sopimattomia protoninvaihtokalvo (PEM) -elektrolyysilaitteelle.

PEM:n laaja todellinen sovellus, joka on terawattitasolla, edellyttää edullisten katalyyttien tarvetta korvaamaan jalometallit. Vaikka etsintä tällaisille ei-aitametallipohjaisille katodeille, jotka soveltuvat PEM-kaupallistamiseen, on käynnissä, se on edelleen haastavaa.

Siinä yhteydessä siirtymämetallifosfidit (TMP:t) ovat osoittaneet lupaavuutta HER-katalyytteinä, mutta niiden käyttö jalometallien korvaajana on vielä alkutaipaleella. Tärkein syy tähän on puutteellinen ymmärrys kestävyydestä karuissa käyttöolosuhteissa sekä aktiivisten paikkojen kiertojen seurannasta vedyn tuotantoprosessin aikana.

Pintarakenteen uudelleenrakennusstrategia tuottaa edullista vetypolttoainetta

Viime aikoina on raportoitu, että CoP-nanopartikkelit katodeina voidaan helposti integroida teollisiin PEM-vesielektrolyysilaitteisiin, mikä osoittaa niiden potentiaaliset kaupalliset sovellukset. 

Kuitenkin ongelmana on HER-reaktion skaalaaminen laboratoriokokeesta laajamittaiseen kaupalliseen tuotantoon kustannusten pitämiseksi alhaisina, minkä viimeisin tutkimus on saavuttanut.

Advanced Energy Materials¹ -lehdessä huhtikuussa 2025 julkaistujen löydösten mukaan Tohoku-universiteetin tutkijaryhmä on osoittanut CoP|F-katodin (F-muokattu CoP) laajennetun käytön laboratoriomittakaavasta (0,2 cm²) kaupalliseen PEM-elektrolyysilaitteeseen (38 cm²).

Etsittäessä parempaa HER-suorituskykyä tutkijat havaitsivat, että pintarakenteen uudelleenrakennuspolku voi luoda pitkäkestoisia ei-aitametallipohjaisia katodeja, jotka parantavat HER:ia.

Nämä katodit pystyvät ylläpitämään suorituskykyään yli 300 tuntia. Lisäksi tiimin laskema kustannus oli hyvin lähellä Yhdysvaltain energiaministeriön asettamaa 2026 H2-tuotantotavoitetta, joka on 2,00 dollaria kilogrammaa kohti.

HER-reaktion nopeuttamiseksi, joka on luonteeltaan hidas ja tehottoman, tiimi kääntyi TMP:iden puoleen. Siirtymämetallifosfidit ovat kustannustehokkaita ja kestäviä ei-aitametalleja. Ne ovat lupaavia katalyyttejä, joilla on ainutlaatuinen elektronirakenne ja korkea katalyyttinen aktiivisuus, mikä parantaa HER:n tehokkuutta.

Koska jalometalleja käytetään tyypillisesti tähän tarkoitukseen, tutkijat uskovat, että ei-aitametalleista on tiedon puute, joka täytyy korjata.

Ei-aitametallikatalyytti viittaa vaihtoehtoiseen materiaaliin, joka on kustannustehokas ja runsaasti saatavilla verrattuna jalometalleihin. Nämä ei-aitametallikatalyytit tarjoavat säädettävän reaktiivisuuden, mikä tarkoittaa, että niitä voidaan muokata tarpeen mukaan parantamaan vakautta, selektiivisyyttä ja aktiivisuutta eri katalyyttisissa prosesseissa.

Tiimi valmisteli siis F-muokatun CoP:n ja käytti operando X-sädeilyabsorbiospektroskopiaa (XAS) ja Raman-mittauksia arvioidakseen sen erilaisia ominaisuuksia, kuten pintarakenteen uudelleenrakennusta ja todellisia aktiivisia paikkoja.

Tulokset vahvistivat, että fluorin lisääminen CoP1-x-verkkoon voi edistää Co-P-sidosten katkeamista, mikä johtaa amorfisen metallisen Co:n uudelleenrakentumiseen. Fosforin (P) vapaiden paikkojen muodostuminen pinnalla luo lisää aktiivisia paikkoja, mikä nopeuttaa HER:ia.

Uudelleenrakennettu pinta osoittaa korkeaa aktiivisuutta ja kestävyyttä reduktiivisessa happamassa elektrolyyttikatalyyttirajapinnassa. Huomionarvoista on, että kun sitä käytetään katodina kaupallisessa PEM-elektrolyysilaitteessa, CoP|F)-katodin suorituskyky on verrattavissa edistyneeseen Pt/C-katalyyttiin, ja sen kustannus on vain 2,17 dollaria per kg H2‑1.

“Tämä uudelleenrakennettu Co on erittäin aktiivinen, toimii happamissa olosuhteissa ja voi ylläpitää noin 76 W yli 300 tunnin ajan,” sanoi Heng Liu, apulaisprofessori Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR) -laitoksessa. “Olemme lähellä edullista menetelmää polttoaineen tuotantoon,” hän lisäsi, huomauttaen, että kustannus on vain 17 senttiä yli nykyisen 2026 tuotantotavoitteen.

Näiden vaikuttavien tulosten myötä tutkijat toivovat tarjoavansa pintarakenteen uudelleenrakennusmenetelmän erittäin tehokkaille, kustannussäästäville ja kestäville ei-aitametallipohjaisille katodeille kaupallisiin PEM-elektrolyysilaitteisiin. 

Entistä tärkeämpää on, että asetelmaa ei testattu vain laboratoriomittakaavassa kolmella elektrodilla, vaan se laajennettiin todelliseen kaupalliseen mittakaavaan. Tämän järkevän suunnittelun avulla täysin uusille katodeille, jotka voivat toimia perustana muille ei-aitametallipohjaisille katodeille, tutkimus mahdollisesti sulkee kuilun laboratoriosta tehtaaseen.

“Ajattelemme aina lopullista tavoitetta, jonka mukaan tutkimuksen on päästävä osaksi arkipäivää. Tämä edistys vie meitä askeleen lähemmäs realistisempien vaihtoehtojen suunnittelua kaupallisiin PEM-sovelluksiin.”

– Liu

Edistysaskeleita puhtaan vedyn tuotannossa

Kun vety nousee lupaavaksi puhtaaksi ja uusiutuvaksi energialähteeksi, suuri osa huomiosta kohdistuu tällä hetkellä vedyn tehokkaaseen tuotantoon, joka pystyy täyttämään kaupallisen mittakaavan kysynnän, ja erityisesti sähköön perustuvaan veden jakamiseen.

Veden elektrolyysi voidaan jakaa kahteen reaktioon: vetykehityksen reaktioon (HER), jossa vesi pelkistyy katodilla tuottaen vetyä, ja hapenkehityksen reaktioon (OER), jossa vesi hapettuu anodilla tuottaen O2. Molemmissa tapauksissa katalyysi näyttelee keskeistä roolia, mikä luo tarpeen erittäin tehokkaille katalyytteille H2:n ja O2:n tehokkaaseen tuotantoon.

Juuri tässä kuussa, jälleen yksi AIMR:n tutkimus Tohoku-universiteetista, tutkijat ehdottivat uutta katalysaattorirakennetta, joka tarjoaa mahdollisen lähestymistavan edulliseen vedyn tuotantoon veden elektrolyysin avulla. Tässä keskityttiin kuitenkin OER:iin.

Materiaali keskittyy mesoporiseen (huokosmateriaali, jonka huokoskoko on 2–50 nm) yksikiteiseen Co3O4:ään (koboltti(II, III) oksidi), johon on dopattu atomaarisesti hajautettua iridiumia (Ir), suunniteltua happamaan OER:iin.

Vaikka Ir on tunnettu OER-suorituskyvystään, se on harvinaista ja kallista. Lisäksi iridiumin tehokas käyttö vakauden säilyttämisen kanssa on haaste teknologian skaalaamisessa. Siksi tutkimus esittelee ratkaisun materiaalin avulla, joka maksimoi atomitason tehokkuuden.

Mesoporinen spinelirakenne mahdollistaa korkean Ir-pitoisuuden (13,8 wt%) ilman suurten iridiumklustereiden muodostumista, mikä mahdollistaa Co‑Ir‑siltapaikkojen muodostumisen. Hapan OER-olosuhteissa nämä paikat osoittivat korkean sisäisen aktiivisuuden.

Tämän analysoimiseksi tutkimus yhdisti kokeelliset tiedot laskennalliseen mallinnukseen, mikä viittaa siihen, että happiintermediäärit (O*) peittävät täysin Co3O4:n pinnat. Tämä passivoi yleensä Co-paikat, mutta Ir-dopanta aktivoi paikat uudelleen samalla kun se parantaa katalyytin rakenteellista eheyttä.

Tämä tutkimus vähensi Ir- ja Co-häviöt noin neljäsosaan ja viidesosaan vastaavasti. Lisäksi katalyytti säilytti suorituskykynsä yli 100 tuntia.

“Mesoporinen arkkitehtuuri on ratkaisevassa roolissa. Se tarjoaa tilaa yksittäisatomiselle Ir-pitoisuudelle ja auttaa luomaan vakaan ympäristön katalyyttiselle aktiivisuudelle.”

– Tutkimuksen johtaja professori Hao Li

Tulevan työn painopisteenä on dopingaustason säätäminen, prosessin skaalaaminen ja sen integroiminen kaupallisiin elektrolyysijärjestelmiin.

Toinen tutkimus, joka tarkastelee taloudellista iridiumkatalyyttiä, totesi, että analyysi osoittaa, että maailman vedyn kuljetusvaatimusten täyttäminen protoninvaihtokalvo‑vesielektrolyysin (PEM‑WE) avulla vaatii iridium‑pohjaisia anodimateriaaleja, joiden määrä on alle 0,05 mgIr/cm². Kuitenkin parhaat markkinoilla tällä hetkellä saatavilla olevat katalyytit, jotka on valmistettu iridiumoksidista, sisältävät noin 40 kertaa enemmän.

Hyvä uutinen on, että ratkaisuja tähän kehitetään jo. Heraeus Groupin Kopernikus P2X -projekti luo uutta, tehokasta iridium‑pohjaista nanokatalyyttia, joka koostuu ohuesta iridiumoksidikerroksesta (IrO2) nanoskaalaisella titaanidioksidi (TiO₂) -tukimateriaalilla.

P2X‑katalyytti osoittaa merkittävää vakautta myös pitkän käyttöajan aikana ja suoriutuu paremmin kuin kiteisempi vertailuarvo.

Veden tuotannon kustannustehokkuuden, skaalautuvuuden ja ympäristöystävällisyyden lisäksi tutkijat ympäri maailmaa etsivät myös keinoja sen tehokkaaseen varastointiin, mikä auttaa puhdasta vetyä saavuttamaan todellisen käyttöönoton.

Tänä vuonna tiedeyhteisö Yhdysvaltain energiaministeriön tuella esitteli uuden tavan varastoida ja vapauttaa haihtuvaa vetyä. Tämä vastaa yhteen vetyä polttoaineena käyttämisen merkittävimmistä haasteista: varastoinnin ja kuljetuksen korkea hinta ja tehottomuus sen alhaisen tiheyden ja räjähdysherkän luonteen vuoksi.

Tutkijat kehittivät tässä ligniinipohjaista suihkumoottoripolttoainetta, joka voi kemiallisesti sitoa vetyä vakaassa nestemäisessä muodossa. Washington State University -professorin Bin Yangin mukaan tämä teknologia “voisi mahdollistaa tehokkaan, korkean tiheyden vedyn varastoinnin helposti käsiteltävässä kestävän lentopolttoaineessa, poistaen tarpeen paineistettuihin säiliöihin varastointia ja kuljetusta varten.”

Uusi prosessi käytti kemiallisia reaktioita, jotka tuottivat aromaattisia hiiliä ja vetyä laboratoriossa kehitetystä kokeellisesta ligniinisuihkupolttoaineesta. Kasveissa esiintyvä ligniini on luonnollinen polymeeri ja maapallon toiseksi yleisin materiaali.

Seuraavissa vaiheissa tutkijat suunnittelevat tekoälypohjaista katalyyttiä reaktioiden parantamiseksi, tehden niistä tehokkaampia ja kustannustehokkaampia.

Innovatiivinen yritys

Cummins Inc (CMI )

Globaalinen energiaratkaisujen tarjoaja Cummins Inc. toimii eri segmenttien kautta, mukaan lukien moottorit, komponentit, jakelu, energiajärjestelmät ja Accelera. 

Yritys tutkii laajasti ja hyödyntää vety‑moottoriteknologiaa kestävän tulevaisuuden rakentamiseksi. Cummins astui vetyteollisuuteen ensimmäisen kerran vuonna 2019 hankkimalla Hydrogenicsin, vetypolttokennojen ja elektrolyyttien valmistajan. Siitä lähtien se on edistynyt jatkuvasti.

Tähän sisältyy 15‑litraisen vety‑ICE:n ja 15‑litraisen maakaasumoottorin lanseeraus. Cumminsin portfolioon kuuluu myös vetyvarastoratkaisuja ja polttokennoteknologian kehittäminen.

Muutama vuosi sitten Accelera aloitti myös elektrolyyttituotannon toiminnan Minnesotassa, Yhdysvaltojen ensimmäisessä elektrolyyttituotantolaitoksessaan.

“Suuren mittakaavan elektrolyysi vihreän vedyn tuottamiseksi on keskeinen osa liikenteen ja teollisuuden hiilidioksidipäästöjen vähentämistä.”

– Accelera‑johtaja Amy Davis tuolloin.

Marraskuussa 2025 Cumminsista tuli samalla perustajajäsen North American Hydrogen Engine Alliance (H2EA‑NA) -liitossa, jonka on muodostanut akateemisen, hallituksen ja liikennealan asiantuntijoiden aloitteena edistämään vety‑sisäpolttomoottoreita (H2‑ICE) ja niiden soveltamista merimoottoreissa sekä maantie‑ ja maastokäyttöisissä ajoneuvoissa ja laitteissa.

Yrityksen markkinasuorituskykyä tarkasteltaessa Cumminsin osakkeet ovat kokeneet vahvan nousutrendin yli kahden vuosikymmenen ajan. Tämä matka on ollut täynnä laskuja, tarjoten sijoittajille hyviä ostopaikkoja. Lähes 16 % osakekurssin lasku Cumminsin osakkeissa tähän mennessä tänä vuonna voitaisiin nähdä samankaltaisena mahdollisuutena.

Kirjoitushetkellä CMI‑osakkeet käyvät hintaan 294,16 $, mikä asettaa Cumminsin markkina‑arvoksi 40,38 miljardia $. Tämän myötä sen EPS (TTM) on 28,17, P/E (TTM) 10,41 ja ROE (TTM) 41,27 %. Mielenkiintoista on, että Cummins tarjoaa myös 2,48 % osinkotuoton, mikä tekee siitä mahdollisesti houkuttelevan sijoitusmahdollisuuden. 

Taloudellisista tiedoista, vuonna 2024, jonka yritys kutsui “muutokselliseksi” merkittävästä edistymisestä Destination Zero -strategiassa ja “ennätystuloksista”, liikevaihto pysyi tasaisena 34,1 miljardia $.

Tämä johtui Pohjois‑Amerikassa tapahtuneesta 1 % myynnin kasvusta, vaikka raskaiden kuorma‑autojen kysyntä laski, ja kansainvälisten tulojen 1 % pudotuksesta edelliseen vuoteen verrattuna. Syynä tähän oli Atmus Filtration Technologies (ATMU ), joka erosi Cummins (CMI ) viime vuonna tullakseen täysin itsenäiseksi yritykseksi. Lisäksi Accelera koki uudelleenjärjestelyn, mikä aiheutti kuluja operaatioiden virtaviivaistamisen ja investointien kohdistamisen päätöksen vuoksi.

Cumminsin nettotulos koko vuodelle 2024 oli 3,9 miljardia $, eli 28,37 $ laimennettua osaketta kohden, mikä kasvoi merkittävästi Atmusin eriytymiseen liittyvän voiton ansiosta.

Tälle vuodelle Cummins ennustaa liikevaihdon olevan -2 % – +3 % vaihteluvälillä “hieman heikomman” Pohjois‑Amerikassa odotetun kysynnän vuoksi. Yritys kuitenkin sitoutui pitkän aikavälin strategiseen tavoitteeseensa palauttaa 50 % operatiivisesta kassavirrasta osakkeenomistajille.

Vuonna 2024 Cummins nosti osakkeiden käteisosinkoa 15. peräkkäisenä vuonna, palauttaen 969 miljardia $ osakkeenomistajille osinkojen kautta.

Muita yrityksen viime vuoden kehityksiä ovat Cummins HELM (Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) -moottorialustan esittely, joka on otettu käyttöön sen B‑, X10‑ ja X15‑sarjojen moottorivalikoimissa, sekä uuden moottorin lanseeraus japanilaiselle autonvalmistajalle Isuzulle, jonka uusi keskikokoisten kuorma‑autojen linja käyttää.

Lisäksi Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses ja PACCAR (PCAR ) perustivat yhteisyrityksen nimeltä Amplify Cell Technologies, jonka tavoitteena on paikallistaa akkujen solutuotanto ja akkujen toimitusketju Yhdysvalloissa. Amplify on jo aloittanut 21 GWh:n tehtaan rakentamisen, jonka tavoitteena on aloittaa tuotanto vuonna 2027.

Uusimmat Cummins Inc.:n tiedot

Yhteenveto

Lupauksellinen vaihtoehto fossiilisille polttoaineille on puhdas vety. Tämä globaalin hiilidioksidipäästöjen vähentämisstrategian keskeinen komponentti tarjoaa korkean energiatehon, ei‑saastuttavia sivutuotteita ja monipuolisuutta eri sektoreilla, mikä tekee kustannustehokkaiden vedyn tuotantomenetelmien kehittämisestä ratkaisevan tärkeää.

PEM‑elektrolyysi on yksi tällainen lähestymistapa, joka voi edistää maailman energiasiirtymän ponnistuksia. Tässä Tohoku‑universiteetin tutkijat korvaavat kalliit platina‑katalyytit pintarakenteisesti suunnitelluilla ei‑aitametallialternatiiveilla, mikä merkitsee keskeistä askelta puhtaan vedyn kaupallisen toteutettavuuden saavuttamisessa.

Sen kustannusetu, joka on lähellä Yhdysvaltain energiaministeriön kustannustavoitetta, sekä CoP|F‑katodin skaalaus todellisissa PEM‑elektrolyysilaitteissa osoittavat, että voimme mahdollisesti avata puhtaan vedyn massamarkkinaratkaisuna maailmanlaajuisiin energiatarpeisiin!

Klikkaa tästä oppiaksesi, miksi vety voi edelleen olla tulevaisuuden polttoaine.

Viitteet:

1. Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z., & Yu, S.-H. (2025). Pintarakenteen uudelleenrakennus aktivoi ei‑aitametallikatodin protoninvaihtokalvo‑vesielektrolyysissä. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846