Ang mga Di-nobelang Katalista Nagbubukas ng Daan para sa Abot-kayang Hydrogen

Habang ang mundo ay lumilipat mula sa mga fossil fuel upang mapagaan ang krisis ng pag-init ng mundo, ang hydrogen ay nagiging tampok bilang ‘panggatong ng hinaharap.’

Ito ay dahil sa ilang kadahilanan, kabilang ang kasaganaan ng tubig, mas mataas na enerhiya na nakuha, paglikha lamang ng tubig bilang byproduct, at kaunti o walang greenhouse gas (GHG) emissions. Ang mga katangiang ito ay ginagawang magagamit ang malinis na hydrogen sa iba’t ibang aplikasyon tulad ng transportasyon, pagbuo ng kuryente, pagpainit, at industriya, kabilang ang bakal, kemikal, at semento.

Bagaman ang hydrogen ay nagpapakita ng napakalaking potensyal sa pag-decarbonize ng ating lipunan, karamihan ng H2 na ginagawa ngayon ay nagmumula sa fossil fuel (methane) mismo, na nagdudulot ng malalaking CO2 emissions. Ibig sabihin nito ay kailangan ng mga scalable na alternatibo upang makagawa ng berde at malinis na hydrogen.

Bilang resulta, ang patuloy na pananaliksik ay nakatuon sa paghahanap ng epektibo at environment-friendly na mga paraan upang makagawa ng hydrogen fuel.

HER: Isang Nangangakong Daan para sa Berde na Produksyon ng Hydrogen

Isa sa mga nangakong pamamaraan para sa paggawa ng berde na hydrogen na nakakuha ng malaking pansin ay ang water electrolysis.

Isang mahalagang reaksyon na nagaganap sa electrolysis ng tubig para sa produksyon ng hydrogen ay ang hydrogen evolution reaction (HER), isang pangunahing proseso sa electrochemistry.

Ang electrolysis ng tubig ay simpleng paggamit ng kuryente upang hatiin ang tubig sa oxygen (O2) at hydrogen (H2) gas, na nagbibigay ng epektibo at malinis na paraan upang gumawa ng hydrogen fuel sa malaking sukat.

Salamat sa maliit nitong Ohmic loss (na kung saan ay ang potensyal na enerhiya na nawawala bilang init habang dumadaloy ang mga karga ng kuryente sa isang medium), mataas na current density, at mababang gas crossover rate, ang pagpapalawak ng lab-scale na proseso ng HER patungo sa komersyal na proton exchange membrane (PEM) water electrolyzer ay nagbibigay ng napapanatiling daan patungo sa berde na hydrogen.

Sa PEM electrolysis, ang hydrogen ay ginagawa sa pamamagitan ng paghahati ng tubig gamit ang kuryente at solid polymer electrolyte. Sa prosesong ito, una, inilalapat ang kuryente upang paghiwalayin ang mga molekula ng tubig sa hydrogen ions (protons), mga electron, at oxygen. Ang mga proton ay dadaan sa membrane, isang proton-conducting polymer na naghihiwalay sa anode at cathode, habang ang mga electron ay dumadaloy sa external circuit.

Sa anode, ang molekula ng tubig ay na-oxidize, na nagbubuo lamang ng oxygen, mga proton, at mga electron. Sa cathode, ang mga proton at electron ay nagsasama upang bumuo ng hydrogen gas.

Ang pamamaraang ito ay ginagamit upang gumawa ng hydrogen para sa mga fuel cell bukod pa sa paggamit nito sa iba’t ibang industriyal na proseso tulad ng paggawa ng pataba, petroleum refining, at petrochemicals.

Ngunit ang problema ay nagmumula sa magaspang na kondisyon ng trabaho, tulad ng matinding reductive acidic electrolyte-catalyst interface. Ang kapaligirang ito ay nagreresulta sa pangangailangan ng mga komersyal na PEM electrolyzer na gumamit ng Platinum (Pt) cathode, na hindi laganap, kaya mahal, upang mapanatili ang mataas na aktibidad.

Ang matinding kondisyon ay nagiging dahilan na ang mga ganitong cathode (batay sa non-precious metals) ay hindi angkop para sa proton exchange membrane (PEM) electrolyzer.

Ang malawak na aplikasyon ng PEM sa totoong mundo, na nasa terawatt na sukat, ay nangangailangan ng murang katalista upang palitan ang mga noble metal. Bagaman patuloy ang paghahanap para sa mga non-precious metal-based cathode na angkop para sa komersyalisasyon ng PEM, ito ay nananatiling hamon.

Dito, ang transition metal phosphides (TMPs) ay nagpakita ng pangako bilang HER catalysts, ngunit ang paggamit nito upang palitan ang mga noble metal ay nasa maagang yugto pa. Ang pangunahing dahilan nito ay ang kakulangan ng pag-unawa sa tolerance sa magaspang na kondisyon ng trabaho, pati na rin ang pagsubaybay sa pag-ikot ng mga active site sa proseso ng paggawa ng hydrogen.

Strategiya ng Surface Reconstruction Nagbubuo ng Abot-kayang Hydrogen Fuel

Kamakailan, ang paggamit ng CoP nanoparticles bilang cathode ay iniulat na madaling maisama sa mga industriyal na PEM water electrolyzers, na nagpapakita ng kanilang potensyal na komersyal na aplikasyon.

Gayunpaman, ang problema ay ang pag-scale up ng HER reaction mula sa isang lab experiment patungo sa malakihang komersyal na produksyon habang pinapababa ang gastos, na naabot ng pinakabagong pag-aaral.

Ayon sa mga natuklasan na inilathala sa Advanced Energy Materials¹ noong Abril 2025, isang pangkat ng mga mananaliksik sa Tohoku University ang nagpakita ng pinalawak na paggamit ng CoP|F cathode (F-modified CoP) mula sa lab-scale (0.2 cm²) patungo sa komersyal na PEM electrolyzer (38 cm²).

Habang naghahanap ng mas mahusay na HER performance, natuklasan ng mga mananaliksik na ang surface reconstruction pathway ay maaaring lumikha ng matagal na non-noble metal-based cathodes na nagpapabuti ng HER.

Ang mga cathode na ito ay kayang panatilihin ang kanilang performance nang higit sa 300 oras. Dagdag pa, ang gastos na kinuwenta ng pangkat ay napakalapit din sa target ng produksyon ng H2 noong 2026 na itinakda ng US Department of Energy, na $2.00 bawat kg ng H2.

Upang mapabilis ang HER reaction, na mabagal at hindi epektibo sa likas, lumapit ang pangkat sa TMPs. Ang transition metal phosphides ay isang cost-effective at matibay na non-precious metal. Ito ay isang pangakong katalista na may natatanging electronic structure at mataas na catalytic activity, na nagpapabuti sa kahusayan ng HER.

Dahil kadalasang ginagamit ang mga noble metal para sa layuning ito, naniniwala ang mga mananaliksik na may puwang sa kaalaman tungkol sa non-noble metals na kailangang punan.

Ang non-noble metal catalyst ay tumutukoy sa isang alternatibong materyal na cost-effective at sagana kumpara sa mga noble metal. Ang mga non-noble metal catalyst ay nagbibigay ng adjustable reactivity, na nangangahulugang maaari silang baguhin ayon sa pangangailangan upang mapataas ang stability, selectivity, at activity sa iba’t ibang catalytic processes.

Kaya, inihanda ng pangkat ang F-modified CoP at pagkatapos ay gumamit ng operando X-ray absorption spectroscopy (XAS) at Raman measurements upang tasahin ang iba’t ibang katangian nito, tulad ng surface reconstruction at tunay na mga active site.

Kumpirmado ng mga resulta na ang pagdagdag ng fluorine sa CoP1-x lattice ay maaaring magpasigla ng pagkasira ng Co-P bonds, na nagreresulta sa reconstruction ng amorphous metallic Co. Ang pagbuo ng phosphorus (P) vacancy sites sa ibabaw ay lumilikha ng mas maraming active site, na nagpapabilis sa HER.

Ang reconstructed na ibabaw ay nagpapakita ng mataas na aktibidad at tolerance sa reductive acidic electrolyte-catalyst interface. Kapansin-pansin, kapag ginamit bilang cathode sa isang komersyal na PEM electrolyzer, ang performance ng CoP|F) cathode ay katumbas ng advanced na Pt/C catalyst sa halagang $2.17 lamang bawat kgH2-1.

“Ang reconstructed na Co ay lubhang aktibo, gumagana sa acidic na kondisyon, at maaaring mapanatili ang humigit-kumulang 76 W nang higit sa 300 oras,” sabi ni Heng Liu, assistant professor sa Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR). “Papapapit na tayo sa isang abot-kayang paraan upang gumawa ng fuel,” dagdag pa niya, na binanggit na ang gastos ay 17 sentimo lamang higit sa kasalukuyang target ng produksyon na itinakda para sa 2026.

Sa mga kahanga-hangang resulta na ito, inaasahan ng mga mananaliksik na magbigay ng surface-reconstruction na daan tungo sa lubos na epektibo, nakakatipid, at matibay na non-noble metal-based cathodes para sa komersyal na PEM electrolyzers.

Higit pa rito, ang setup ay hindi lamang sinubukan sa lab scale na may tatlong electrode kundi talagang pinalawak sa komersyal na sukat. At sa pamamagitan ng makatuwirang disenyo para sa mga bagong cathode, na maaaring magsilbing batayan para sa iba pang non-noble metal-based cathodes, maaaring tulayin ng pag-aaral na ito ang puwang mula laboratoryo patungo sa pabrika.

“Palagi naming iniisip ang panghuling layunin, na ang pananaliksik ay makarating sa pang-araw-araw na buhay. Ang pag-unlad na ito ay nagdadala sa atin ng isang hakbang palapit sa pagdidisenyo ng mas realistic na mga opsyon para sa komersyal na PEM applications.”

– Liu

Mga Pagsulong sa Malinis na Produksyon ng Hydrogen

Sa pag-usbong ng hydrogen bilang isang pangakong malinis at renewable na pinagkukunan ng enerhiya, maraming pokus ngayon ang nakatuon sa epektibong produksyon ng hydrogen na makakatugon sa pangangailangan sa komersyal na sukat, na may mas malaking interes sa electricity-driven water splitting.

Ang water electrolysis ay maaaring hatiin sa dalawang reaksyon: ang hydrogen evolution reaction (HER), kung saan ang tubig ay nare-reduce sa cathode upang makagawa ng hydrogen, at ang oxygen evolution reaction (OER), kung saan ang tubig ay na-oxidize sa anode upang makagawa ng O2. Sa parehong kaso, ang katalisis ay may malaking papel, na lumilikha ng pangangailangan para sa lubos na epektibong mga katalista upang makagawa ng H2 at O2 nang mahusay.

Kamakailan lamang, sa isa pang pananaliksik mula sa AIMR, Tohoku University, iminungkahi ng mga mananaliksik ang isang bagong catalyst framework, na nag-aalok ng potensyal na paraan para sa murang produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng water electrolysis. Ang pokus dito, gayunpaman, ay nasa OER.

Ang materyal ay nakatuon sa mesoporous (mga porous material na may pore diameters sa 2–50 nm) single-crystalline Co3O4 (cobalt(II, III) oxide) na doped ng atomically dispersed iridium (Ir), na dinisenyo para sa acidic OER.

Bagaman kilala ito sa kanyang OER performance, ang Ir ay kakaunti at mahal. Gayundin, ang epektibong paggamit ng iridium habang pinapanatili ang katatagan ay nagdudulot ng hamon sa pag-scale up ng teknolohiya. Kaya, nagmumungkahi ang pag-aaral ng solusyon sa pamamagitan ng materyal na nagpapalaki ng atomic-level efficiency.

Sa pagkakaroon ng mesoporous spinel structure, ang katalista ay maaaring magkaroon ng mataas na Ir loading (13.8 wt%) nang hindi bumubuo ng malalaking iridium cluster, na nagpapahintulot sa pagbuo ng Co-Ir bridge sites. Kapag nasa acidic OER conditions, ang mga site na ito ay nagpakita ng mataas na likas na aktibidad.

Upang suriin ito, pinagsama ng pananaliksik ang experimental data sa computational modeling, na nagpapahiwatig na ang oxygen intermediates (O*) ay ganap na sumasakop sa mga ibabaw ng Co3O4. Karaniwan nitong pinapasa ang mga Co site, ngunit ang Ir doping ay muling nag-aktibo sa mga site habang pinapalakas ang structural integrity ng katalista nang sabay.

Ang pag-aaral na ito ay nagbaba ng pagkawala ng Ir at Co sa halos isang-kapat at isang-lima, ayon sa pagkakabanggit. Higit pa rito, pinanatili ng katalista ang performance nang higit sa 100 oras.

“Ang mesoporous architecture ay may mahalagang papel. Nagbibigay ito ng puwang para sa single-atom Ir loading at tumutulong sa paglikha ng matatag na kapaligiran para sa catalytic activity.”

– Study lead Professor Hao Li

Ang pokus ng mga susunod na gawain ay sa pag-aayos ng antas ng doping, pag-scale up ng kanilang proseso, at pagkatapos ay pagsasama nito sa mga komersyal na electrolyzer system.

Isa pang pag-aaral na tumitingin sa isang ekonomikong iridium catalyst ay napansin na ang pagsusuri ay nagpapakita na upang matugunan ang pangangailangan ng mundo sa hydrogen para sa transportasyon gamit ang Proton Exchange Membrane Water Electrolysis (PEM-WE) ay kinakailangan ang iridium-based anode materials na mas mababa sa 0.05 mgIr/cm². Gayunpaman, ang pinakamahusay na mga katalista na kasalukuyang available sa merkado, na gawa mula sa iridium oxide, ay naglalaman ng halos 40 beses nito.

Ang maganda ay ang mga solusyon para dito ay kasalukuyang binubuo. Ang Kopernikus P2X project ng Heraeus Group ay lumilikha ng isang bago, epektibong iridium-based nanocatalyst, na gawa sa manipis na layer ng iridium oxide (IrO2) sa nanoscale titanium dioxide (TiO₂) support.

Ang P2X catalyst ay nagpapakita ng kahanga-hangang katatagan kahit sa pangmatagalang operasyon at mas mahusay kaysa sa mas kristalinong benchmark.

Bukod sa pagtatrabaho sa iba’t ibang teknik upang gawing cost-effective, scalable, at environment-friendly ang produksyon ng hydrogen, ang mga mananaliksik sa buong mundo ay nagsusuri rin ng mga paraan upang ito ay maimbak nang epektibo, na tumutulong sa malinis na hydrogen na makamit ang aktwal na paggamit.

Sa unang bahagi ng taong ito, isang pangkat ng mga siyentipiko na sinusuportahan ng U.S. Department of Energy ay nagpakita ng bagong paraan upang mag-imbak at maglabas ng volatile hydrogen. Ito ay tumutugon sa isa sa mga pangunahing hamon ng paggamit ng hydrogen bilang pinagkukunan ng fuel: ang mataas na gastos at hindi epektibong imbakan at transportasyon dahil sa mababang densidad at mapanganib na katangian nito.

Ang ginawa ng mga siyentipiko dito ay bumuo ng isang uri ng lignin-based jet fuel na maaaring kemikal na mag-ugnay ng hydrogen sa isang matatag na likidong anyo. Ang teknolohiyang ito, ayon kay Professor Bin Yang ng Washington State University, “maaaring magbigay-daan sa epektibo, mataas na densidad na imbakan ng hydrogen sa isang madaling hawakan na sustainable aviation fuel, na nag-aalis ng pangangailangan para sa pressurized tanks para sa imbakan at transportasyon.”

Ang bagong proseso ay gumamit ng mga kemikal na reaksyon na lumikha ng aromatic carbons at hydrogen mula sa laboratoryo na binuo na experimental lignin jet fuel. Matatagpuan sa mga halaman, ang lignin ay isang natural na polymer at ang pangalawang pinaka-abundant na materyal sa mundo.

Sa mga susunod na hakbang, magdidisenyo ang mga mananaliksik ng AI-driven catalyst upang mapabuti ang mga reaksyon, na gagawing mas epektibo at cost-effective.

Inobatibong Kumpanya

Cummins Inc (CMI )

Ang global na tagapagbigay ng power solutions, Cummins Inc., ay nag-ooperate sa iba’t ibang segment, kabilang ang Engine, Components, Distribution, Power Systems, at Accelera.

Ang kumpanya ay malawak na nag-eexplore at gumagamit ng hydrogen engine technology upang makatulong sa pagbuo ng isang sustainable na hinaharap. Unang pumasok ang Cummins sa hydrogen economy noong 2019 sa pamamagitan ng pagkuha ng Hydrogenics, isang tagagawa ng hydrogen fuel cells at electrolyzers. Mula noon, patuloy itong umuunlad.

Kasama dito ang paglulunsad ng 15-L Hydrogen ICE at 15-L Natural Gas Engines. Ang portfolio ng Cummins ay kinabibilangan din ng mga solusyon sa hydrogen storage at pag-develop ng fuel cell technology.

Ilang taon na ang nakalipas, nagsimula rin ang Accelera ng operasyon para sa produksyon ng electrolyzer sa Minnesota, ang unang site ng produksyon ng electrolyzer sa U.S.

“Ang large-scale electrolysis para gumawa ng berde na hydrogen ay isang mahalagang bahagi sa decarbonization ng transportasyon at industriya.”

– Accelera President Amy Davis at the time.

Noong Marso 2025, samantala, ang Cummins ay naging founding member ng Hydrogen Engine Alliance of North America (H2EA-NA), isang inisyatibo na binuo ng mga eksperto mula sa akademya, gobyerno, at industriya ng transportasyon upang itaguyod ang hydrogen internal combustion engines (H2-ICE) at ang aplikasyon nito sa marine engines at on-road at off-road na mga sasakyan at kagamitan.

Tungkol sa performance ng merkado ng kumpanya, ang mga shares ng Cummins ay nakaranas ng matatag na pagtaas sa loob ng higit dalawang dekada. Ang paglalakbay na ito ay minarkahan ng mga pagbaba sa daan, na nagbigay ng magandang pagkakataon para sa mga mamumuhunan na bumili. Ang halos 16% na drawdown sa mga shares ng Cummins ngayong taon ay maaaring tingnan sa parehong paraan.

Sa kasalukuyang pagsulat, ang mga shares ng CMI ay nagte-trade sa $294.16, na naglalagay ng market capitalization ng Cummins sa $40.38 bilyon. Kasama nito, may EPS (TTM) na 28.17, P/E (TTM) na 10.41, at ROE (TTM) na 41.27%. Kapansin-pansin, nag-aalok din ang Cummins ng dividend yield na 2.48%, na ginagawa itong potensyal na kaakit-akit na investment opportunity.

Pagdating sa financials, noong 2024, isang taon na tinawag ng kumpanya na “transformative” dahil sa paggawa ng “significant progress in advancing our Destination Zero strategy” at paghatid ng “record results,” ang revenue ay nanatiling $34.1 bilyon.

Ito ay resulta ng pagtaas ng benta sa North America ng 1% sa kabila ng pagbaba ng demand para sa heavy-duty trucks, at ang international revenues ay bumaba ng 1% kumpara sa nakaraang taon. Isang dahilan nito ay ang Atmus Filtration Technologies (ATMU ), na humiwalay mula sa Cummins (CMI ) noong nakaraang taon upang maging ganap na independent na kumpanya. Dagdag pa, sumailalim ang Accelera sa reorganisasyon, na nagdulot ng mga singil dahil sa desisyon na i-streamline ang operasyon at ituon ang mga pamumuhunan.

Ang net income ng Cummins para sa buong taong 2024 ay $3.9 bilyon, o $28.37 bawat diluted share, na tumaas nang malaki dahil sa kita na may kaugnayan sa paghihiwalay ng Atmus.

Para sa taong ito, inaasahan ng Cummins na ang revenue nito ay nasa pagitan ng pagbaba ng 2% hanggang pagtaas ng 3% dahil sa “slightly weaker” na demand na inaasahan sa North America. Gayunpaman, ibinahagi ng kumpanya ang pangako sa kanilang pangmatagalang estratehikong layunin na ibalik ang 50% ng operating cash flow sa mga shareholders.

Noong 2024, talagang pinalaki ng Cummins ang kanilang common stock cash dividend sa ika-15 na sunod na taon, na nagbalik ng $969 milyon sa mga shareholders sa pamamagitan ng dividends.

Ang iba pang mga pag-unlad na ginawa ng kumpanya nitong nakaraang taon ay kinabibilangan ng pagpapakilala ng Cummins HELM (Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) engine platform na ipinatupad sa buong B, X10, at X15-series engine portfolios at ang paglulunsad ng bagong engine para lamang sa Japanese automaker na Isuzu para sa kanilang bagong linya ng medium-duty trucks.

Higit pa rito, ang Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses, at PACCAR (PCAR ) ay bumuo ng kanilang joint venture na tinatawag na Amplify Cell Technologies upang i-localize ang produksyon ng battery cell at ang supply chain ng baterya sa US. Ang Amplify ay nagsimula na ng konstruksyon ng isang 21 GWh na pabrika, na naglalayong magsimula ng produksyon sa 2027.

Pinakabagong Balita sa Cummins Inc.

Konklusyon

Isang pangakong alternatibo sa mga fossil fuel ay ang malinis na hydrogen. Ang kritikal na komponent na ito ng global decarbonization strategy ay nag-aalok ng mataas na energy density, hindi nakakapinsalang byproducts, at pagiging versatile sa iba’t ibang sektor, kaya mahalaga na bumuo ng cost-effective na mga pamamaraan para sa produksyon ng hydrogen.

Ang PEM electrolysis ay isa sa mga pamamaraang ito na makakatulong sa pagpapalawak ng mga pagsisikap sa energy transition ng mundo. Dito, pinalitan ng mga mananaliksik ng Tohoku University ang mamahaling platinum catalysts ng surface-engineered na non-precious metal alternatives, na nagmamarka ng mahalagang hakbang sa paggawa ng malinis na hydrogen na komersyal na magagamit.

Ang mga benepisyo sa gastos nito na malapit sa cost target ng U.S. DOE, at ang pag-scale up ng CoP|F cathode sa totoong PEM electrolyzers ay nagpapakita na posibleng binubuksan natin ang malinis na hydrogen bilang solusyon sa mass-market para sa pangangailangan ng pandaigdigang enerhiya!

I-click dito upang malaman kung bakit maaaring manatiling fuel ng hinaharap ang hydrogen.

Mga Sanggunian na Binanggit:

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). Ang surface reconstruction ay nag-activate ng non-noble metal cathode para sa proton exchange membrane water electrolyzer. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846