Katalista ng Bakal Ginagawang Praktikal ang Hydrogen Fuel Cells

Hydrogen Fuel Cells: Katalista ng Bakal Bilang Alternatibo sa Platina

Hydrogen ay, sa teorya, maaaring maging perpektong panggatong para sa isang berdeng hinaharap: Maaari itong gawin mula sa renewable na kuryente, hindi naglalabas ng anumang pollutant kapag kinokonsumo, at nangangailangan lamang ng tubig bilang materyal para sa paggawa nito.

Gayunpaman, ang paggawa ng hydrogen sa napakababang gastos ay naging hamon. Ang mga alternatibong sistema, tulad ng co-production ng fresh water nang sabay, mga bagong katalista ng hydrogen na hindi nangangailangan ng mamahaling metal, o photocatalysis, ay sinusuri.

Isa pang hakbang na nagpapababa sa komersyal na pagiging praktikal ng hydrogen ay nasa yugto ng konsumo. Kapag hindi ginamit sa combustion engine (katulad ng fuel engine, na may mas mababang kahusayan), ginagamit ang fuel cells, na karaniwang nangangailangan ng mamahaling platina bilang katalista.

Hindi lamang nito pinapataas ang gastos ng fuel cells, kundi maaari rin nitong hadlangan ang malawakang pag-aampon ng hydrogen bilang panggatong, dahil ang platina at mga kaugnay na metal tulad ng palladium ay napakabihira sa mundo, na nagpapahirap sa biglaang pagtaas ng kanilang produksyon.

Sa kabutihang-palad, dumarating na ang mga alternatibo, salamat sa trabaho ng mga siyentipikong Tsino sa maraming nangungunang institusyon ng bansa: Chinese Academy of Sciences, Shenzhen University (China), Southeast University (China), Tsinghua University, Beijing University of Chemical Technology, City University of Hong Kong, at Xiamen University.

Sila ay naglathala¹ ang pagk discovery ng isang bagong iron-based catalyst para sa fuel cells sa prestihiyosong siyentipikong journal na Nature, sa pamagat na “Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports”.

Paano Gumagana ang Fuel Cells

Ang mga bahagi ng fuel cells na gumagawa ng kuryente mula sa konsumo ng hydrogen ay ang proton exchange membranes (PEMs).

Ang mga fuel cell ay gumagana sa pamamagitan ng pagkakatalisa ng pag-convert ng hydrogen (H₂) tungong mga proton (H+ ions) + mga electron, na lumilikha ng kuryente. Tulad ng nabanggit kanina, ang katalistang ito ay tradisyonal na platina, isang mamahaling metal.

Pinagmulan: Wikipedia

Sa halip, ang mga siyentipikong Tsino ay lumikha ng bagong disenyo ng katalista, na inilarawan bilang “inner activation, outer protection”, na umaasa sa simpleng bakal bilang katalista.

Iron-Based Hydrogen Catalysts

Mga Hamon ng Iron Catalysts sa Fuel Cells

Ang ideya ng paggamit ng iron catalyst, na natural na nakakakuha ng oxygen (isang pag-uugaling kilala natin bilang “kalawang”) at ikinakabit ito sa mga hydrogen ion, ay hindi bago.

Ngunit hanggang ngayon, ito ay napipigil ng mga hindi kanais-nais na kemikal na reaksyon, partikular ang matinding pag-adsorb ng mga oxygenated reaction intermediates, at ang demetallization ng mga atom ng bakal. Kaya alinman sa mga atom ng bakal ay “nadidikit” sa mga compound na mayaman sa oxygen, o nagiging hindi na ito magagamit bilang katalista.

Upang mapigilan ang mga hindi kanais-nais na reaksyong ito, lumikha ang mga mananaliksik ng isang natatanging nanostructure para sa iron catalyst.

Nanostructured Hollow Iron Catalysts

Ang tradisyonal na iron catalysts ay umaasa sa panlabas na ibabaw ng graphene o carbon supports, na naglilimita sa dami ng bakal na naa-access para sa mga ninanais na reaksyon kasama ang hydrogen.

Sa halip, ang metodong ginamit ay lumikha ng panloob na kurbadong ibabaw na may isang atom na iron catalyst site.

Ang bawat isa sa mga site na ito ay matatagpuan sa isang nanoconfined hollow multishelled structure (HoMS). Ang mga nano HoMS na ito ay nakakalat at nakatali sa isang 2D carbon layer, katulad ng graphene.

Pinagmulan: Research Gate

Ang mga nano hollow particle ay may sukat na humigit-kumulang 10 nm × 4 nm, at binubuo ng maraming shell kung saan ang mga atom ng bakal ay konsentrado sa panloob na mga layer sa mataas na densidad. Ipinakita ng synchrotron X-ray absorption spectroscopy na ang mga panloob na atom ng Fe ay nasa 57.9% na rate sa isang aktibong estado ng katalista.

Pinagmulan: Research Gate

Pagtaas ng Pagganap Gamit ang Iron Catalysts

Mag-swipe para mag-scroll →

Ang nanostructure ay nagpapahina sa lakas ng pagdikit ng mga oxygenated reaction intermediates, na nag-aalis ng isang pangunahing limitasyon ng mga iron-based catalyst.

Pinagmulan: Research Gate

Binabawasan din nito ang rate ng produksyon ng hydroxyl radical (•OH), isang napaka-reaktibo at nakakasirang molekula na palaging potensyal na problema sa mga reaksyon ng oxygen-hydrogen.

Ang huling resulta ay isang fuel cell na gumagamit ng iron catalysts na radikal na mas mahusay kaysa sa ibang disenyo, kapwa sa pinakamataas na densidad ng kapangyarihan at sa kasalukuyang densidad (pulang bituin sa ibaba), na may rekord na mataas na densidad ng kapangyarihan na 0.75 W cm−2 sa ilalim ng 1.0 bar H2–air.

Pinagmulan: Research Gate

Ang disenyo ng katalistang ito ay mas matibay din kaysa sa nakaraang iterasyon ng mga iron-based catalyst, nananatili sa 86% na kahusayan matapos ang higit sa 300 oras ng operasyon.

Pinagmulan: Research Gate

Konklusyon

Ang isang hydrogen economy ay magiging posible lamang kapag nalutas na ang mga usaping pang-ekonomiya, na may madaling gawin na mga katalista, na umaasa sa masaganang at murang materyales.

Sa kontekstong ito, ang bakal, bilang isa sa pinaka-maraming napoproduktong at pinakamurang metal sa mundo, ay magiging isang ideal na kandidato.

Ibig sabihin din nito na ang medyo mabilis na pagbaba ng kahusayan sa paglipas ng panahon (na maaaring mapabuti pa sa susunod na disenyo) ay magiging mas kaunti ang problema, at ang bahagi ng katalista ng fuel cell ay maaaring palitan ng bago nang regular, habang ang ginamit ay nire-recycle o nire-regenerate sa orihinal nitong pagganap.

Pamumuhunan sa Teknolohiyang Fuel Cell

Plug Power Inc.

Ang Plug Power ay isang nangunguna sa green hydrogen, na nakatuon sa mga fuel cell. Ang kumpanya ay nag-uulat ng higit sa 72,000 na fuel cell na naka-install sa higit sa 300 lokasyon, na may malaking presensya sa mga fleet ng material-handling. Lalo na, ang mga fuel cell nito ay nagpapatakbo ng higit sa 40,000 forklift at, may kita na tumaas ng 8 beses mula noong 2013.

Aktibo rin ito sa pagtatayo ng hydrogen infrastructure, tulad ng produksyon ng hydrogen, logistics, utility-scale na pagbuo ng kuryente, at mga paghahatid.

Pinagmulan: Plug Power

Ang kumpanya ay naglalayon ng sukat upang pababain ang gastos ng produksyon ng hydrogen mula $10/kg patungong $4/kg, habang pinapalawak ang produksyon ng 14 beses sa 2027. Dapat din nitong palitan ang lahat ng externally sourced na hydrogen, na madalas ibinibenta sa mga customer nang may pagkalugi.

Dahil sa napakalaking pamumuhunan upang dagdagan ang kapasidad ng produksyon ng 19 beses mula noong 2020, ang kumpanya ay hindi pa kumikita, ngunit ang pag-unlad sa pagkuha ng sarili nitong hydrogen ay dapat magbago nito.

Nakikita ng kumpanya ang mga solusyon nito bilang alinman sa isang direktang mobility fuel o bilang karagdagan sa mga EV, dahil ang hydrogen ay nagbibigay-daan sa pagbawas ng pressure sa grid tuwing peak charging time ng mga EV, na hindi tumutugma sa mga oras ng produksyon ng renewable energy sa araw.

Pinagmulan: Plug Power

Bilang isang pangunahing tagagawa ng mga fuel cell, ang Plug Power ay lubos na makikinabang mula sa paglipat patungo sa isang hydrogen-based na ekonomiya. Ang isang mas murang katalista ng fuel cell ay maaaring isama sa mga disenyo nito, at magpapalakas ng adoption rate ng mga hydrogen vehicle at grid-scale na energy storage.

Kaya’t ginagawa nitong isang magandang stock ang Plug Power na paglaanan ng pusta sa pag-ikot patungo sa hydrogen sa pangkalahatan, na may paglago sa demand para sa mga fuel cell nito sa tuwing isang mas murang paraan upang gumawa, mag-imbak, mag-transport, o gamitin ang hydrogen ay naimbento.

Pinakabagong Balita at Pag-unlad sa Stock ng Plug Power Inc (PLUG)

Pag-aaral na Binanggit

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports. Nature 644, 668–675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}