Pagbubukas ng Epektibong Produksyon ng Hydrogen para sa Malinis na Enerhiya

Ang patuloy na paglago ng populasyon at ekonomiya ng mundo ay nagdulot ng malaking pagtaas sa pangangailangan ng enerhiya, na humigit‑kumulang 80% ay nasusustentuhan ng mga fossil fuel. Ang mga mapagkukunang ito ay hindi lamang mabilis na nauubos kundi responsable rin sa malaking pagtaas ng greenhouse gases (GHG) sa kapaligiran.

Bilang resulta, may lumalaking pagtutok sa mga renewable na pinagkukunan ng enerhiya, tulad ng araw, hangin, tubig, organikong materyal, at init ng Daigdig.

Ang mga renewable na pinagkukunan ng enerhiya, na nagmumula sa likas na mapagkukunan na nagre‑replenish, ay mahalaga para sa malinis at napapanatiling mga sistema ng enerhiya. Gayunpaman, humaharap sila sa maraming hamon, kabilang ang hindi regular na pagkakaroon, mataas na paunang gastos, limitasyong heograpikal, at malawak na pangangailangan sa espasyo.

Ito ang pagkakataon kung saan pumapasok ang hydrogen. Ang pandaigdigang demand para sa hydrogen ay umakyat sa 97 milyong tonelada (Mt) noong 2023, tumaas ng 2.5% mula sa nakaraang taon. 

Ang Papel ng Hydrogen sa Paglipat tungo sa Malinis na Enerhiya

Ang pinakamagaan na elemento sa sansinukob, ang hydrogen, ay lumitaw bilang isang pangakong solusyon para makamit ang mas napapanatiling ekosistema ng enerhiya dahil sa kanyang kakayahang mag‑adjust at mag‑imbak ng malaking dami ng enerhiya kumpara sa kanyang bigat.

Hindi ito pangunahing pinagkukunan tulad ng araw kundi pangalawa, dahil kailangan itong gawin mula sa iba pang hilaw na materyales tulad ng tubig, natural gas, o biomass.

Kapag ginawa gamit ang mga fossil fuel tulad ng natural gas (na kasalukuyang pinakakaraniwang paraan), ang hydrogen ay hindi malinis na enerhiya, dahil nagdudulot ito ng malaking taunang CO2 emissions.

Gayunpaman, kapag ginamit sa fuel cell, ang hydrogen ay lumilikha lamang ng singaw ng tubig bilang byproduct, kaya’t ito ay isang malinis na fuel.

Bilang isang maraming gamit na tagapagdala ng enerhiya, ang hydrogen ay makakatulong sa pagharap sa ilang kritikal na hamon sa enerhiya. Maaari nitong suportahan ang integrasyon ng mga renewable sa sistema ng kuryente sa pamamagitan ng pag‑imbak ng enerhiya nang ilang linggo o kahit buwan.

Ang hydrogen na may mababang emissions na ginawa gamit ang nuclear o renewable na enerhiya, o mga fossil fuel na may carbon capture, ay maaaring makatulong na i‑decarbonize ang iba’t ibang sektor. Ang mabigat na industriya at pangmatagalang transportasyon, kung saan mahirap bawasan ang emissions, ay maaaring lubos na makinabang dito. Ang produksyon ng hydrogen na ito, gayunpaman, ay nananatiling maliit na bahagi, na nasa ilalim ng 1% noong 2023.

Ang hydrogen ay maaaring makuha mula sa iba’t ibang teknolohiya. Isa sa pinakaepektibong paraan para makagawa ng napapanatiling hydrogen ay sa pamamagitan ng water electrolysis. Sa enerhiya‑intensive na electrolysis na ito, ginagamit ang kuryente upang hatiin ang tubig sa hydrogen at oxygen. Ang teknolohiyang ito ay maayos na nade‑develop at komersyal na magagamit, bagaman ang tinatayang enerhiya efficiency nito ay nasa paligid ng 52%.

Isa pang paraan ay ang plasmolysis, na nagpakita ng energy yield na kapantay ng electrolysis, na may karagdagang benepisyo ng mas mababang konsumo ng kuryente, mas mababang pangunahing gastos, at mas maliit na sukat ng kagamitan. Ang mga kamakailang pag‑unlad sa microfluidics at micro‑plasmas ay nagpatunay na ang produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng water vapor plasmolysis ay kapaki‑pakinabang sa usapin ng enerhiya efficiency.

Ang iba pang paraan upang makuha ang hydrogen para sa kuryente ay kinabibilangan ng photocatalysis, biohydrogen, at mga thermochemical na proseso.

I‑swipe upang mag‑scroll →

Bagaman promising ang teknolohiya ng hydrogen, ang malawak nitong paggamit ay patuloy na humaharap sa mga kahirapan sa gastos ng produksyon, kahusayan, at pangkalahatang sustainability ng kapaligiran. Dahil sa pangangailangan para sa mas malinis na pinagkukunan ng enerhiya, patuloy na nagsasaliksik ang mga mananaliksik sa buong mundo upang lutasin ang mga problemang ito gamit ang mga bagong materyales at mas mahusay na teknolohiya.

Mga Inobasyon sa Catalyst na Nagpapalakas ng Kahusayan ng Hydrogen

Habang umuusad ang mga teknolohiya ng hydrogen mula konsepto hanggang komersyalisasyon, isa sa mga pangunahing hamon ay ang mga materyales na nagpapabisa at nagpapalawak ng mga sistemang ito. Upang tugunan ito, ang mga siyentipiko ay nagsasagawa ng iba’t ibang pamamaraan.

Halimbawa, isang pag‑aralan mula sa Chinese Academy of Sciences Headquarters, na inilathala ngayong buwan sa Nature, ay nagpakilala ng maliit na iron catalyst bilang alternatibo sa platinum sa proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), na may potensyal na baguhin ang hinaharap ng malinis na enerhiya.

Ang PEMFCs ay mga malinis na energy device na gumagawa ng kuryente mula sa hydrogen at oxygen, kung saan ang tubig lamang ang byproduct. Ngunit sila ay lubos na umaasa sa bihirang at mahal na platinum bilang catalyst. Kaya, upang matulungan ang kanilang malawak na pag‑aampon, ang mga mananaliksik ay nakabuo ng mataas na performance na iron‑based catalyst para sa mga fuel cell na ito.

Sa matalinong disenyo nitong “inner activation, outer protection”, ang bagong catalyst ay maaaring makamit ang mahusay na performance habang binabawasan ang mapanganib na byproducts.

Bagaman ang mga Fe/N–C catalyst ay isa sa mga pinaka‑promising na alternatibo sa platinum group metal catalysts, ang kanilang aktibidad at tibay ay hindi nakakatugon sa mga pamantayan ng performance. Kaya, ang koponan ay nagdisenyo at nag‑develop ng bagong uri ng Fe/N–C catalyst na binubuo ng maraming nanoprotrusions na nakakalat sa 2D carbon layers na may single Fe‑atom sites na nakabaon sa loob na kurbado na ibabaw ng mga nanoprotrusions.

Bilang resulta, ang bagong catalyst ay nakapaghatid ng “isa sa pinakamagandang performance” ng platinum group metal‑free PEMFC, na may 86% activity retention kahit pagkatapos ng mahigit 300 oras ng tuloy‑tuloy na operasyon.

Isa pang mahalagang teknolohiya para sa produksyon ng hydrogen sa paraang climate‑neutral sa pamamagitan ng water electrolysis ay ang Proton Exchange Membrane Water Electrolysis (PEM‑WE).

Upang mapabilis ang nais na reaksyon, ang mga electrode ay nilalagyan ng espesyal na electrocatalysts. Para sa anode, karaniwang ginagamit ang mga iridium‑based catalyst, lalo na para sa acidic oxygen evolution reaction (OER).

Ang OER ay ang hakbang na nagpoprodyus ng oxygen sa proseso ng water‑splitting na lumilikha ng malinis na hydrogen energy, ngunit nananatiling hamon at hindi epektibo. Ang reaksyong ito ay pinakamainam kapag ginagamit ang mga iridium‑based catalyst.

Natuklasan noong 1803, ang Iridium ay hindi matatagpuan sa purong anyo sa kalikasan ngunit komersyal na nakukuha bilang byproduct ng produksyon ng platinum, palladium, nickel, o copper.

Ang Iridium ay isang matigas, mabigat na metal na hindi naaapektuhan ng hangin, tubig, at mga asido. Dahil sa mga katangiang ito, ginagamit ito sa spark plugs, scientific equipment, catalysts, conductive inks para sa electronics, at paggamot sa kanser.

Ang metal ay bihirang gamitin sa purong anyo dahil sa kahirapan sa paghahanda at paggawa; sa halip, ginagamit ito sa anyo ng platinum alloys.

Ang Iridium (Ir), gayunpaman, ay isang mataas na halaga na metal at isa sa pinakamabihirang elemento sa natural na crust ng Daigdig. Ang mga ore na naglalaman ng iridium ay matatagpuan sa South Africa, United States (Alaska), Brazil, Russia, Myanmar, at Australia.

Ang kakulangan nito, kasama ang mataas na demand mula sa mga industriya tulad ng electronics, ay nagiging napakamahal. Ang Iridium ay talagang mas mahal kaysa ginto, na nagkakahalaga halos $5,000 kada ounce.

Kaya, may katwiran na ang mga siyentipiko ay patuloy na naghahanap ng mga bagong metal upang palitan ang Iridium upang matulungan ang malawakang pag‑aampon ng PEMWEs. Ang pagtuklas ng mga non‑Ir na alternatibo, gayunpaman, ay hindi madaling gawin at mabagal dahil sa napakalawak na design space.

Ilang buwan na ang nakalipas, isang pag‑aralan mula sa Advanced Institute for Materials Research (AIMR) sa Tohoku University ay nagdetalye ng isang bagong porous crystal catalyst bilang epektibo at matibay na solusyon para sa malinis na produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng water electrolysis.

Ang materyal sa pag‑aralan na ito ay mesoporous single‑crystalline Co3O4 na doped ng atomically dispersed Iridium para sa acidic OER.

Ang mesoporous spinel na estruktura ay may mahalagang papel, dahil nagbibigay ito ng mataas na Ir loading (13.8 wt%) nang hindi nabubuo ang malalaking iridium clusters. Bukod sa pagbibigay ng puwang para sa Ir loading, tumutulong din ang arkitektura sa paglikha ng matatag na kapaligiran.

Ang catalyst ay nagpapanatili ng performance nito nang higit sa 100 oras na may lamang 248 mV na overpotential (η₁₀).

Sa isa pang kamakailang pag‑aralan, ang mga mananaliksik ay lumikha ng isang “megalibrary” upang tuklasin ang catalytic activity ng milyun‑milyong natatanging nanostructures na binubuo ng ilang pangunahing metal, na tumutulong sa paghahanap ng mga alternatibo sa Ir catalyst para sa OER sa sukat at bilis.

I‑click dito upang malaman kung paano nagbubukas ang mga non‑noble catalyst ng daan para sa abot‑kayang hydrogen.

Mabilis na Pagtuklas ng Catalyst gamit ang Nanoteknolohiya

Ang pinakabagong pag‑aralan ay talagang nakakita ng bagong catalyst para sa produksyon ng hydrogen fuel na parehong mura at epektibo sa enerhiya.

Inilathala ngayong buwan sa Journal of the American Chemical Society (JACS), ang pagtuklas ng catalyst ay ginawa gamit ang isang bagong nanoparticle megalibrary, at ito ay katumbas o higit pa sa performance ng Iridium sa produksyon ng hydrogen fuel, sa bahagyang halaga.

Sa mahabang panahon, ang mga mananaliksik ay naghahanap ng mga alternatibo sa Iridium. Ngunit ang mga dekadang iyon ay ngayon natuklasan sa loob lamang ng isang hapon gamit ang makapangyarihang bagong tool na binuo ng mga siyentipiko mula sa Northwestern University.

Ang bagong imbentong tool na ito ay tinatawag na megalibrary, na siyang unang “data factory” ng nanomaterial sa mundo. Bawat isa sa mga library na ito ay naglalaman ng milyun‑milyong natatanging nanoparticles sa isang maliit na chip.

Ang teknolohiyang ito ay ginamit, sa pakikipagtulungan sa mga mananaliksik mula sa Toyota Research Institute (TRI), upang makahanap ng komersyal na kapaki‑pakinabang na mga catalyst para sa produksyon ng hydrogen. Ang materyal ay kalaunan na‑scale up, at ipinakita na gumagana ito sa loob ng isang device. Lahat ng ito ay nagawa sa rekord na oras.

Upang matuklasan ang mga bagong catalyst, ginamit ng mga mananaliksik ang apat na murang, abundant na mga metal, na lahat ay kilala sa kanilang catalytic performance. Ang mga metal na ito ay:

1. Cobalt (CO)
2. Chromium (CR)
3. Manganese (MN)
4. Ruthenium (Ru)

Ang megalibrary ay pagkatapos ginamit upang mabilis na i‑screen ang napakaraming kombinasyon ng mga metal na ito upang makahanap ng bagong materyal na ang performance ay maaaring tumugma sa Iridium.

Natagpuan ng koponan ang isang bagong materyal na katumbas ng mga komersyal na Iridium‑based na materyales sa performance sa laboratoryo. Sa ilang kaso, ang performance ay higit pa sa mga ito sa bahagyang halaga.

Ang pagtuklas na ito ay maaaring gawing abot‑kayang berde na hydrogen.

Higit pa rito, ipinapakita ng bagong materyal ang bisa ng megalibrary na pamamaraan, na maaaring baguhin ang paraan ng mga mananaliksik sa pagtuklas ng mga bagong materyales para sa iba’t ibang aplikasyon.

Ayon kay senior study author Chad A. Mirkin, na pangunahing imbentor ng megalibrary platform at siyang nagpakilala ng megalibraries halos isang dekada na ang nakalipas noong 2016:

“Inilabas namin ang marahil pinakamakapangyarihang synthesis tool sa mundo, na nagpapahintulot sa paghahanap ng napakalaking bilang ng mga kombinasyon na magagamit ng mga chemist at material scientist upang makahanap ng mga materyal na mahalaga.”

Sa proyektong megalibrary, ang koponan ay “ginamit ang kakayahang iyon para sa isang malaking problema na kinahaharap ng sektor ng enerhiya.” Ang problema, ayon kay Mirkin, ay:

“Paano natin mahahanap ang isang materyal na kasing ganda ng Iridium ngunit mas sagana, mas madaling ma‑access, at mas mura? Ang bagong tool na ito ay nagbigay‑daan upang makahanap kami ng isang pangakong alternatibo at ito ay mabilis na natuklasan.”

Si Mirkin ay Propesor ng Chemistry sa Weinberg College of Arts and Sciences ng Northwestern at propesor ng chemical at biological engineering, biomedical engineering, at materials science and engineering sa McCormick School of Engineering.

Ang berde na hydrogen ay isang kritikal na pangangailangan ng mundo, ngunit ito ay limitado ng pag‑asa nito sa isa sa pinakamabihirang materyales upang gumana.

“Walang sapat na iridium sa mundo upang matugunan ang lahat ng aming inaasahang pangangailangan.”

– Ted Sargent, Propesor ng Chemistry sa Weinberg at propesor ng electrical at computer engineering sa McCormick

Nagtrabaho sina Sargent at Mirkin nang magkasama sa proyektong ito.

“Habang iniisip natin ang paghahati ng tubig upang lumikha ng alternatibong anyo ng enerhiya, hindi sapat ang iridium mula sa perspektibo ng suplay.”

– Sargent

Ang pagtuklas ng mga bagong kandidato upang palitan ang metal na ito ay naging perpektong aplikasyon para sa bagong tool, na maaaring baguhin ang mabagal at nakakatakot na tradisyunal na proseso ng pagtuklas ng materyales. Hindi tulad ng tradisyunal na trial‑and‑error na pamamaraan, ang mga bagong megalibrary ay nagpapahintulot ng mabilis na pagkilala ng mga optimal na komposisyon.

Ang bawat megalibrary ay nilikha gamit ang isang grupo ng daan‑daang libong maliliit, pyramid‑shaped na tip upang mag‑print ng indibidwal na ‘dots’ sa isang ibabaw. Bawat dot dito ay nagtatampok ng maingat na dinisenyong halo ng mga metal salts, na kapag pinainit, ay nare‑reduce upang bumuo ng mga natatanging nanoparticles, bawat isa ay may tiyak na sukat at komposisyon.

Maaari mong isipin ang bawat tip bilang isang maliit na tao sa isang maliit na laboratoryo. Sa halip na isang maliit na tao ang gumawa ng isang istruktura nang paisa‑isa, mayroon kang milyun‑milyong tao. Kaya, halos mayroon kang buong hukbo ng mga mananaliksik na nakatalaga sa isang chip.

Sa kabuuan, ang chip ay may 156 milyong particle, bawat isa ay nabuo mula sa iba’t ibang kombinasyon ng Co, Cr, Mn, at Ru. Isang robot scanner ang sumuri kung gaano kahusay nilang maisagawa ang Oxygen Evolution Reaction (OER).

Ang kakayahang ito na i‑screen ang mga particle para sa kanilang huling performance ay isang malaking inobasyon.

“Sa unang pagkakataon, hindi lamang kami nakapag‑screen nang mabilis ng mga catalyst, kundi nakita rin naming ang pinakamahusay na gumagana nang maayos sa isang scaled‑up na setting.”

– Co‑author ng pag‑aralan na si Joseph Montoya, senior staff research scientist sa TRI

Batay sa pagsusuri, pinili ng mga mananaliksik ang 40 pinakamahusay na kandidato, mula sa mababa hanggang mataas na aktibidad, para sa karagdagang pagsubok sa laboratoryo. Ang mga RuCoMnCr oxide ay na‑scale hanggang milligram level bago pinag‑aralan para sa kanilang catalytic performance.

Isang komposisyon ang namumukod‑tangi sa huli. Ang tiyak na kombinasyon ng lahat ng apat na metal ay: Ru52Co33Mn9Cr6 oxide.

Kaya, nagawang makuha ng koponan ang isang multi‑metal catalyst, na talagang kilala na mas aktibo kaysa sa mga single‑metal na katapat nito.

“Ang aming catalyst ay talagang may bahagyang mas mataas na aktibidad kaysa iridium at napakagandang katatagan,” sabi ni Mirkin. “Ito ay bihira dahil madalas na mas hindi matatag ang ruthenium. Ngunit ang iba pang elemento sa komposisyon ay nagpapatatag ng ruthenium.”

Ang catalyst ay nag‑generate ng boltahe na 1.58 V sa 1 A/cm² at 1.77 V sa 3 A/cm².

Pagdating sa pangmatagalang performance, ang bagong catalyst na ito ay gumana nang higit sa 1,000 oras na may mataas na kahusayan at kahanga‑hang katatagan sa isang matinding acidic na kapaligiran, habang ang gastos ay halos isang labing‑anim na bahagi ng Iridium.

“Maraming gawain pa ang kailangang gawin upang gawing komersyal itong viable, ngunit napaka‑exciting na maaari naming matukoy ang mga pangakong catalyst nang mabilis — hindi lamang sa antas ng laboratoryo kundi para sa mga device.”

– Montoya

Sa proseso ng paghahanap ng bagong catalyst, ang koponan ay lumikha ng napakalaking mataas na kalidad na datasets ng materyales, na maaaring magbukas ng daan para sa machine learning at AI upang magdisenyo ng susunod na henerasyon ng mga bagong materyales.

Ang TRI, Northwestern, at ang spinout nito na Mattiq ay nakabuo na ng algorithm upang maghanap sa megalibraries sa napakabilis na bilis. 

Gayunpaman, ito ay simula pa lamang. Tulad ng AI, ang megalibrary na pamamaraan ay maaaring umabot lampas sa pinabilis na pagtuklas ng catalyst para sa conversion ng enerhiya upang baguhin ang pagtuklas ng materyales para sa halos anumang teknolohiya, tulad ng advanced optical components, biomedical devices, baterya, at iba pa.

“Maghahanap kami ng iba’t ibang uri ng materyales para sa mga baterya, fusion, at iba pa,” sabi ni Mirkin. “Ang mundo ay hindi gumagamit ng pinakamahusay na materyales para sa mga pangangailangan nito. Natagpuan ng mga tao ang pinakamahusay na materyales sa isang tiyak na panahon, batay sa mga tool na mayroon sila. Ang problema ay mayroon na tayong napakalaking imprastruktura na nakabatay sa mga materyales na iyon, at tayo ay na‑trapped dito. Nais naming baliktarin iyon. Panahon na upang tunay na mahanap ang pinakamahusay na materyales para sa bawat pangangailangan — nang walang kompromiso.”

Pamumuhunan sa Kapangyarihan ng Hydrogen

Bloom Energy Corp (BE ) ay nakikibahagi sa stationary fuel cell power generation. Nagbibigay ito ng dalawang produkto sa komersyo: ang Bloom Electrolyzer para sa paggawa ng hydrogen at ang Bloom Energy Server para sa pag‑generate ng kuryente.

Ang kumpanya ay gumagawa ng hydrogen mula sa pinakamalaking electrolyzer sa mundo, na naka‑install sa NASA’s Ames Research Center, na nagpoprodyus ng humigit‑kumulang 25% na mas maraming hydrogen kada megawatt kumpara sa mga komersyal na electrolyzer tulad ng PEM o alkaline.

Sa ngayon, ang Bloom Energy ay nag‑deploy ng 1.5 GW ng low‑carbon power sa mahigit 1,200 na instalasyon sa buong mundo.

Sa market cap na $12.38 bilyon, ang mga BE shares ay nagte‑trade sa $53.15, tumaas ng 138.36% YTD. Kamakailan, ang mga shares ng kumpanya ay lumagpas sa $55 upang maabot ang bagong taas dahil sa pagtaas ng interes mula sa mga hyperscalers at data centres. Gayundin, noong Hulyo, nakaseguro ang kumpanya ng isang milestone deal sa Oracle (ORCL ) at nagbigay ng pahiwatig ng higit pang ganitong mga deal sa hinaharap.

Mayroon itong EPS (TTM) na 0.11 at P/E (TTM) na 495.23.