Platinaa Vapaa Vetykatalyytti: Hyppy Eteenpäin Puhdasenergia-tekniikassa

Puhdasenergia-siirtymä tapahtuu kaikkialla maailmassa, kun paheneva ilmastokriisi luo kiireellisen tarpeen hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen energiajärjestelmissä. 

Toisin kuin fossiiliset polttoaineet, kuten kivihiili ja öljy, puhtaat energialähteet eivät tuotannossaan vapauta suuria määriä kasvihuonekaasuja (GHG), kuten metaania, CO2:ta, typpioksidia tai muita saasteita, mikä edistää terveellisempää ympäristöä.

Mielenkiintoista on, että puhdas energia tulee uusiutuvista lähteistä kuten auringosta, jotka uusiutuvat jatkuvasti ja ovat saatavilla kaikkialla planeetalla, sekä uusiutumattomista lähteistä, kuten ydinenergiasta, joka hyödyntää rajallisia resursseja (uranium).

Vertailun vuoksi fossiilisiin polttoaineisiin, puhtaat energialähteet myös omaavat alhaisemmat ylläpito- ja käyttökustannukset, mikä mahdollistaa vakaammat hinnat kuluttajille.

Tämän myötä puhtaan energian ala kasvaa nopeasti, kun investoinnit puhtaan teknologian ratkaisuihin, jotka vähentävät ympäristövaikutuksia ja edistävät kestävyyttä, saavuttivat ennätyksellinen 71 miljardia dollaria Q3 2024, Deloitte:n mukaan. 

Nyt, kun tarkastellaan puhtaita energialähteitä, tässä ovat merkittävimmät:

1. Aurinko – Auringon säteilyä hyödynnetään täällä teknologioilla, kuten fotovoltaisilla (PV) paneeleilla, jotka muuntavat auringonvalon suoraan sähköksi. Vuonna 2024 globaali aurinkokapasiteetti kasvoi merkittävästi, lisäten huomattavan 593 GW aurinko-PV-kapasiteettia. 
2. Tuuli – Tuulen kineettinen energia muutetaan sähköksi turbiinien avulla. Turbiinien sijainnista riippuen se voi olla kahta tyyppiä: maalla oleva tuulivoima, jossa tuulivoimalat sijaitsevat maalla, ja merituuli, jossa tuulivoimalat sijaitsevat merellä.
3. Vesi – Virtaavan veden kineettistä energiaa käytetään sähkön tuotantoon, pääasiassa patojen ja turbiinien avulla. Vesivoima vastaa noin 15% kokonaisenergiantuotannosta. 
4. Geoterminen – Tämä energiamuoto hyödynnetään maapallon sisäisen lämmön kautta, ja se saadaan geotermisistä voimalaitoksista, jotka sijaitsevat maanalaisissa varannoissa.  
5. Biomassa – Tässä hyödynnetään orgaanista materiaalia, kuten maatalousjätteitä ja metsäteollisuuden sivutuotteita. 
6. Ydinenergia  – Se on atomin energia, jonka voima saadaan ydinhalkeamasta ja fuusiosta. Deloitte:n energia- ja hyötykäyttöjen kyselyyn mukaan kehittyvät ydinteknologiat tulevat näyttelemään tärkeintä roolia kasvavan energian kysynnän täyttämisessä seuraavien vuosien aikana.
7. Vety – Vetyä tuotetaan eri lähteistä, ja kun sitä käytetään polttokennoissa, syntyy vain vettä. Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) on varannut 7 miljardia dollaria vedyn keskusten kehittämiseen.

Vety tehokkaana puhtaana polttoaineena

Jaksollisen taulukon ensimmäinen alkuaine, vety (H), on väritön, hajuton, mauton, erittäin helposti syttyvä ja myrkytymätön kaasumainen aine. Se on myös yksinkertaisin, kevyin ja yleisin alkuaine.

Mutta mikä tekee siitä poikkeuksellisen houkuttelevan on se, että poltettaessa vety tuottaa vain vesihöyryä. Kun se tuotetaan uusiutuvalla energialla, erityisesti vihreä vety voi auttaa hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä sektoreilla, kuten liikenteessä ja sähkön tuotannossa.

Yhteiskunnan kasvavien energiatarpeiden keskellä vety tarjoaa erittäin tehokkaan puhtaan energialähteen, joka voidaan mahdollisesti tuottaa eri lähteistä. Se on itse asiassa energian kantaja, jota voidaan käyttää energian siirtämiseen, varastointiin ja toimittamiseen, joka on tuotettu muista lähteistä.

Nyt yleisimmät tavat tuottaa vetyä polttoaineena ovat:

1. Lämpöprosessi – Tuotetaan korkean lämpötilan prosessilla, jota kutsutaan höyryreformoinniksi; vety syntyy, kun höyry reagoi hiilivetypolttoaineiden, kuten maakaasun, dieselin, kaasutetun hiilen, kaasutetun biomassan ja uusiutuvien nestepolttoaineiden kanssa.
2. Elektrolyysiprosessi – Vesi (H2O) erotetaan hapeksi ja vedeksi sähkövirran avulla. Prosessi tapahtuu elektrolysaattorissa, jossa sähkö kulkee veden läpi aiheuttaen molekyylien erottumisen.
3. Auringonvalolla ohjattu prosessi – Valoa käytetään vedyn tuotantoon, ja se sisältää erilaisia lähestymistapoja, kuten fotobiologinen, fotoelektrokemiallinen ja aurinko-thermokemiallinen. 
4. Biologinen prosessi – Vetyä tuotetaan biologisten reaktioiden avulla, käyttäen mikrobeja kuten bakteereja ja mikroleviä.

Vetyllä on erittäin suuri potentiaali palvella yhteiskunnan puhtaan energian tarpeita, mutta ongelmana on, että haasteita on edelleen ratkaistava. Näihin haasteisiin kuuluvat massatuotannon, kuljetuksen ja varastoinnin toteuttaminen. Lisäksi vedyn tuotannon on oltava vakaa ja edullinen.

Vetykehitysreaktio (HER) katsotaan ympäristöystävällisimmäksi ja kestävimmäksi vedyn tuotantomenetelmäksi. Se on katodisessa reaktiossa tapahtuva veden elektrolyysi. 

Tässä veden jakamisen elektrokemiallisessa prosessissa, kuten platina, nikkeli ja muut siirtymämetallit, käytetään katalyyttinä, jotka vähentävät protoneja vedyksi.

Ongelma syntyy yleisimmin katalyyneissä käytettävästä metallista, platinaa, joka tarjoaa erittäin tehokkaan katalyyttisen suorituskyvyn, mutta kohtaa harvinaisuuden ja kustannusten haasteet. Siksi keskitytään yhä enemmän vaihtoehtoisiin katalyytteihin, jotta arvokkaiden metallien kulutusta voitaisiin vähentää.

Platinan rooli vedyn puhdistamisessa

Kiiltävä, hopeanvalkoinen metalli, joka joskus sekoitetaan hopeaan, platina (Pt) on avain hiilineutraalin päämäärän saavuttamiseen. Tämä tiheä, muovautuva ja kiiltävä metalli on erittäin reagoimaton ja korroosiota kestävä, jopa korkeissa lämpötiloissa.

Kuitenkin se on äärimmäisen harvinainen metalli, yli 30 kertaa harvempi kuin kulta, esiintyy vain 0,005 ppm:n pitoisuudessa maankuoren kerroksessa. Harvinaisuutensa vuoksi platinaa on vaikea ja kallista louhia, mikä tekee lopputuotteesta kalliimman.

Metalli louhitaan pääasiassa Etelä-Afrikassa, joka kattaa yli 70 % maailman platina-varoista, sekä Venäjällä, Zimbabwessa, Kanadassa ja Yhdysvalloissa.

Käyttötapauksissa platinaa käytetään korujen valmistukseen, mutta tärkeimpänä se hyödynnetään elektronisissa komponenteissa ja katalysaattoripuhdistimissa liikenteen päästöjen vähentämiseksi. Vuonna 2022 noin 85 tonnia metallia käytettiin pelkästään katalysaattoripuhdistimissa. Se nousee myös kriittiseksi mineraaliksi globaalissa energiasiirtymässä. 

Metalli on erityisen korvaamaton elektrolysaattoreissa, jotka ovat erilaisia, mutta vetyprojektien kehittäjät suosivat protoninvaihtokalvo (PEM) -elektrolyysiä. Alkaaliselle elektrolyysille tehokkaampi vaihtoehto, PEM-elektrolysaattorit käyttävät platinaa erittäin suorituskykyisten katalyyttien valmistamiseen. 

Platinaa käytetään myös PEM-polttokennoissa, jotka toimivat kuten PEM-elektrolysaattorit, mutta käänteisesti. Sen sijaan, että vety ja happi erotettaisiin, ne yhdistetään platinaa katalyyttinä käyttäen.

Vetypolttokennot koostuvat kahdesta elektrodista — anodista (negatiivinen elektrodi) ja katodista (positiivinen elektrodi), jotka erottaa elektrolyytti. Katalyytti, joka on metallikerros kuten platina, anodilla jakaa vety‑molekyylit protoneiksi ja elektroneiksi, jotka liikkuvat kohti katodia luoden sähkövirran.

Platinan erinomainen johtavuus ja kemiallinen vakaus tekevät siitä niin tehokkaan katalyytin. Sen tehokkuus on avain korkean energianmuunnosasteen saavuttamiseen polttokennoissa, mikä mahdollistaa niiden kilpailemisen perinteisten energialähteiden kanssa. 

Kun hiilidioksidipäästöjen vähentämisen tarve kasvaa, platinaan kohdistuva kysyntä odotetaan nousevan platinapohjaisten PEM-teknologioiden ansiosta, joilla on potentiaalia saavuttaa 11 % maailmanlaajuisista hiilidioksidipäästöjen vähennyksistä.

Siksi maailmanlaajuisesti kiinnitetään yhä enemmän huomiota tähän metalliin. Yhdysvalloissa Inflaation Vähennys -laki sisältää verohyödyn vähähiiliselle vedylle, jonka tavoitteena on nopeuttaa puhtaan vedyn tuotantoa ja polttokennoajoneuvojen käyttöönottoa. Euroopan komission REPowerEU pyrkii puolestaan kaksinkertaistamaan puhtaan vedyn kapasiteetin 80 GW:iin vuoteen 2030 mennessä.

Tämän globaalin ponnistuksen mukaan World Platinum Investment Councilin mukaan puhtaan vedyn tuotanto voi olla suurin platinaan kohdistuva kysyntälähde (35 %) vuoteen 2040 mennessä.

Epätasapainon kysynnän ja tarjonnan välillä lisäksi arvokkaiden metallien, kuten platinaan, käyttö aiheuttaa lisähaasteita, kuten korkeat kustannukset, mahdollinen heikkeneminen ja ympäristöhuolenaiheet. Tämän seurauksena tutkijat ovat jatkuvasti työskennelleet tavoilla poistaa platina vedyn katalyyttinä ja löytää parempia vaihtoehtoja.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken platinaan sijoittamisesta.

Platinaa Vapaiden Katalyyttien Luominen

Platinaa vapaan vedyn tavoittelussa UNSW Sydneyn tutkijat toteuttavat tutkimusta ratkaistakseen arvokkaan metallin käytön aiheuttamia ongelmia vedyn polttokennoissa. 

Tutkijat kehittivät uuden tekniikan ymmärtääkseen, miksi jotkut katalyyttimateriaalit ovat vähemmän vakaita kuin Pt, mikä auttaa muita tutkijoita kehittämään uusia materiaaleja ja parantamaan platinaa vapaiden katalyyttien tulevaisuuden näkymiä vedyn polttokennoissa.

Kehitetyt tekniikat paljastivat, että jopa 75 % rautapohjaisista aktiivisista kohteista polttokennissä menetti aktiivisuutensa ensimmäisten 10 tunnin aikana. Tämä johtui pääosin raudan aktiivisten kohteiden menetyksestä, ja hiilen korroosio oli toinen syy. 

Erillisessä tutkimuksessa¹, Wisconsin-Madisonin yliopiston, Cornellin yliopiston ja Wuhanin yliopiston tutkijat löysivät uuden tavan katalysoida reaktiota vedyn polttokennojen valmistamiseksi.

Tutkijat käyttivät edullista, ei-aitoa metallin nikkelia sekä katodi- että anodielektrodeissa polttokennissä. Nikkelipohjainen elektrokatalyytti suunniteltiin 2 nanometrin paksuisella typpidopatuskarbonaattikuorella.

Yksittäisten nikkeliatomien upottaminen hiili- ja typpiatomeista koostuvaan grafeenimaiseen suojakuoreen teki ne kestäviksi hapettumiselle ja sitoi vetyatomit ihanteellisella voimalla, joka tarvitaan tehokkaaseen vetyhapettumisreaktioon (HOR).

Näin ollen, kiinteän nikkeliytimen, hiilikuoressa, ja koboltti-mangaanikatonodilla varustetulla anodikatalyytillä, tutkijat loivat vedyn polttokennon ilman mitään arvokasta metallia, jonka teho ylitti 200 mW/cm².

Vuonna 2020 DOE:n Argonne National Laboratoryn tiedemiehet puolestaan löysivät ja kehittivät lupaavimman platinaa vapaan katalyytin vedyn polttokennoille, jotka perustuvat hapen pelkistysreaktioon (ORR). Se perustui rautaan, typpiin ja hiileen, jotka sekoitettiin ja kuumennettiin 900–1100 °C lämpökäsittelyssä.

Tämän jälkeen materiaalin rauta‑atomit sidottiin typpiatomeihin ja upotettiin grafeeniin. Tässä jokainen rauta‑atomi muodostaa kohdan, jossa ORR voi tapahtua, tehden elektrodista tehokkaamman.

Tämän kasvaneen kiinnostuksen keskellä, jonka kohteena on riippuvuuden vähentäminen kalliista platinaa ja vedyn polttokennojen sekä elektrolyysin tehokkuuden ja kustannustehokkuuden parantaminen, tiedemiehet ovat nyt kehittäneet palladiumpohjaisen nanosheet-katalyytin, jonka suorituskyky on tasavertainen platinaan vedyn tuotannossa.

Palladium vaihtoehtona platinalle edullisen vedyn tuotannossa

Uusin tutkimus tuli Tokion tiedekorkeakoulun (TUS) tutkijoilta, jotka ovat kehittäneet uudenlaisen vedynkehityskatalyytin, bis(diimino)palladium-koordinaatiosheetit (PdDI). 

Palladium on kiiltävä, hopeanvärinen ja yksi yleisimmistä platinaryhmän metalleista, jonka tiheys on paljon pienempi kuin platinalla.

Palladiumin käyttö, joka tarjoaa platinaan verrattavan tehokkuuden murto-osalla kustannuksista, raivaa tietä edulliselle ja kestäville vedyn tuotannolle nopeuttaen puhtaan energian vallankumousta. 

Professori Hiroshi Nishiharan ja tohtori Hiroaki Maedan johdolla TUS:sta yhteistyössä muiden instituutioiden tutkijoiden kanssa, tutkimus merkitsee läpimurtoa vedynkehitysreaktio (HER) -teknologiassa.

HER-katalyyttielektrodit helpottavat H:n muuntamista, joka tuotetaan elektrodin pinnalla veden jakamisen aikana, vedyksi (H2). Ylittääkseen platinan rajoitukset, jotka rajoittavat sen laajamittaista käyttöä HER-katalyyttina, tiimi tarjoaa erittäin tehokkaan vaihtoehdon platina‑katalyytteille yksinkertaisella synteesiprosessilla.

Tiimi loi palladiumpohjaiset nanosheetit, joilla on kyky saavuttaa korkea katalyyttinen aktiivisuus vähäisellä arvokkaan metallin käytöllä, mikä merkittävästi alentaa H2‑tuotannon kustannuksia.

Tohtori Maedan mukaan, “tehokkaiden HER‑elektrokatalyyttien kehittäminen on avain kestävään H2‑tuotantoon” ja “Bis(diimino)metallikoordinaatiosheetit, niiden korkean johtavuuden, suuren pinta-alan ja tehokkaan elektroninsiirron ansiosta, ovat lupaavia ehdokkaita.” Näiden ominaisuuksien lisäksi nanosheetien harva metallijärjestely vähentää materiaalin käyttöä. 

PdDI‑nanosheetit, eli E-PdDI ja C-PdDI, kehitettiin menestyksekkäästi kahdella eri menetelmällä:

1. Elektrokemiallinen oksidointi
2. Kaasu‑neste‑rajapinnan synteesi

Aktivoituina E-PdDI‑levyt osoittivat alhaisen yli‑jännitearvon 34 mV, mikä tarkoittaa, että vedyn tuotannossa tarvitaan vain vähän ylimääräistä energiaa. Se ei ainoastaan vastaa platinan 35 mV:n yli‑jännitearvoa, vaan myös arvokkaan metallin katalyyttistä suorituskykyä vaihtovirran tiheyden 2,1 mA/cm² kanssa.

Tutkimus totesi, että “merkittävä suorituskyky” ylittää paitsi Pd‑metallielektrodien, myös perinteisten MDI‑ (M=Ni, Co, Cu) nanosheetien, ja lisäsi, että tämä poikkeuksellinen suorituskyky saavutettiin huolimatta erittäin pienen arvokkaan metallin määrän käytöstä.

Näiden tulosten myötä E-PdDI on tähän mennessä kehitetyin HER‑katalyytti, mikä tekee siitä lupaavan edullisen vaihtoehdon platinalle.

Kun tarkastellaan pitkäaikaista vakautta, joka on yksi minkä tahansa katalyytin kriittisistä näkökohdista, PdDI‑nanosheetit osoittivat myös erinomaisen kestävyyden. Ne pysyivät ehjinä 12 tunnin ajan happamissa olosuhteissa, vahvistaen niiden soveltuvuuden todellisissa vedyn tuotantojärjestelmissä.

“Tutkimuksemme vie meidät askeleen lähemmäs H2‑tuotannon edullistamista ja kestävyyttä, mikä on ratkaiseva askel puhtaan energian tulevaisuuden saavuttamiseksi.”

– tohtori Maeda

Vähentämällä riippuvuutta harvinaisesta ja kalliista platinaa, bis(diimino)palladium‑koordinaatiosheetit (PdDI) tukevat myös YK:n kestävän kehityksen tavoitteita (SDG), edistäen edullista ja puhdasta energiaa sekä innovaatiota ja infrastruktuuria. 

Huomionarvoista on, että tutkimus ei rajoitu laboratoriokokeisiin. PdDI‑nanosheetien kustannustehokkuus, skaalautuvuus ja parannettu aktiivisuus tekevät niistä erittäin hyödyllisiä suurten energian varastointijärjestelmien, vedyn polttokennojen ja teollisen vedyn tuotannon sovelluksissa.

Lisäksi PdDI voi vähentää platina‑pohjaisten katalyyttien kaivostoimintaan liittyviä päästöjä, nopeuttaen siirtymistä kestävään vetyekonomiaan. TUS‑tiimin seuraava askel on optimoida PdDI‑nanosheetit todellista käyttöä varten.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken palladiumiin sijoittamisesta

Sijoitettavat Innovatiiviset Yritykset 

Katsotaanpa nyt merkittävää nimeä alalla, joka edistää puhtaan energian teknologioita, mukaan lukien platinaa vapaiden vedyn katalyyttien kehittämistä.

Plug Power Inc. (PLUG )

$1,54 miljardia markkina-arvoinen yritys on erikoistunut vedyn polttokennojärjestelmiin ja on tutkinut platinaa vapaita katalyyttejä kustannusten vähentämiseksi ja tehokkuuden parantamiseksi.

Kirjoitushetkellä PLUG‑osakkeet käyvät hintaan $1,71, mikä on 21,6 % alhaisempi vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on -2,54, ja P/E (TTM) on -0,65.

Vuodelle 2024 Q4 Plug Power raportoi $191,5 miljardia liikevaihtoa ja 122 % bruttokatehäviön, samalla kun operatiivinen kassavirta parani 46 % vuodesta toiseen. Se päätti vuoden yli $200 miljardia rajoittamattomassa käteisessä. Yritys sulki äskettäin $1,66 miljardia DOE‑lainagaranti-ohjelman.

Tänä aikana Plug Powerin elektrolysaattoriliiketoiminta jatkoi laajentumistaan, ja vedyn liiketoiminta vahvistui.

“Vuosi 2024 oli vahvan toteutuksen ja merkittävän strategisen edistymisen vuosi Plugille, kun edistimme aloitteitamme ja otimme askeleita vetyekonomian edistämiseksi.”

– toimitusjohtaja Andy Marsh

Uusimmat Plug Powerista

Johtopäätös

Kun maailman väestö kasvaa nopeasti, ja sen odotetaan nousevan noin 10,3 miljardiin keskellä 2080-lukua, kasvihuonekaasupäästöjen ongelma pahenee entisestään. Tämä luo tarpeen vähentää riippuvuuttamme fossiilisista polttoaineista ja omaksua energialähteitä, jotka ovat puhtaita, turvallisempia, runsaampia ja ympäristöystävällisiä.

Tässä vedyn energia on noussut keskeiseksi tekijäksi puhtaassa ja kestävässä tulevaisuudessa, tarjoten nollapäästöisen vaihtoehdon fossiilisille polttoaineille. Vaikka lupaavaa, vedyn massatuotanto riippuu vahvasti kalliista platina‑pohjaisista katalyyteista, mikä tekee kustannuksista suuren haasteen alalle.

Korvaamalla arvokkaan Pt‑metallin PdDI‑nanosheetillä, uusin tutkimus on saavuttanut läpimurron kustannustehokkaassa elektrodien tuotannossa ja tuottanut erinomaisia tuloksia elektrodien toimittajateollisuudessa, vedyn tuotannossa ja automaatioteollisuudessa.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista puhtaan energian osakkeista, joilla on ympäristökeskeinen fokus. 

Viitteet:

1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). A completely precious metal–free alkaline fuel cell with enhanced performance using a carbon-coated nickel anode. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119

2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Synthesis of Bis(diimino)palladium Nanosheets as Highly Active Electrocatalysts for Hydrogen Evolution. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082