Katalista ng Hydrogen na Walang Platinum: Isang Malaking Hakbang Pasulong sa Teknolohiyang Malinis na Enerhiya

Isang paglipat sa malinis na enerhiya ang nagaganap sa buong mundo habang ang lumalalang krisis sa klima ay nagdudulot ng agarang pangangailangan na i-decarbonize ang mga sistema ng enerhiya.

Hindi tulad ng mga fossil fuel tulad ng karbon at langis, ang mga mapagkukunan ng malinis na enerhiya ay hindi naglalabas ng napakalaking dami ng greenhouse gases (GHG) tulad ng methane, CO2, nitrous oxide, o iba pang mga pollutant sa kanilang produksyon, na nag-aambag sa mas malusog na kapaligiran.

Kagiliw-giliw, ang malinis na enerhiya ay maaaring magmula sa mga renewable na mapagkukunan tulad ng araw na patuloy na napupunan at matatagpuan sa buong planeta, pati na rin ang mga non-renewable na mapagkukunan tulad ng nuclear energy, na gumagamit ng limitadong mga yaman (uranium).

Kung ihahambing sa kanilang mga katapat na fossil fuel, ang mga mapagkukunan ng malinis na enerhiya ay may mas mababang gastos sa pagpapanatili at operasyon, na nagbibigay-daan sa mas matatag na presyo para sa mga konsyumer.

Sa ganitong konteksto, ang industriya ng malinis na enerhiya ay mabilis na lumalago, na may pamumuhunan sa mga cleantech na teknolohiya na nagbabawas ng epekto sa kapaligiran at nagtataguyod ng sustainability, na umabot sa isang record na $71 bilyon sa Q3 2024, ayon sa Deloitte.

Ngayon, pagdating sa mga mapagkukunan ng malinis na enerhiya, narito ang mga pinaka-prominenteng ito:

1. Solar – Ang radyasyon ng araw ay ginagamit dito sa pamamagitan ng mga teknolohiyang tulad ng photovoltaic (PV) panels na direktang nagko-convert ng sikat ng araw sa kuryente. Noong 2024, ang pandaigdigang kapasidad ng solar ay tumaas nang malaki, na nagdagdag ng kapansin-pansing 593 GW ng solar PV capacity.
2. Wind – Ang kinetic energy ng hangin ay kinoconvert sa kuryente ng mga turbina. Depende sa lokasyon ng mga turbina, ito ay maaaring dalawang uri: onshore wind power, kung saan ang mga wind farm ay matatagpuan sa lupa, at offshore wind energy, kung saan ang mga wind farm ay matatagpuan sa dagat.
3. Water – Ang kinetic energy ng dumadaloy na tubig ay ginagamit upang lumikha ng kuryente, pangunahin sa pamamagitan ng mga dam at turbina. Ang hydropower ay nag-aambag ng humigit-kumulang 15% sa kabuuang paglikha ng kuryente.
4. Geothermal – Ang ganitong uri ng enerhiya ay kinukuha mula sa internal na init ng lupa at nakukuha sa pamamagitan ng mga geothermal power plant na matatagpuan sa mga underground reservoir.
5. Biomass – Dito, ang organikong materyal tulad ng basura ng pananim at mga tirang gubat ay kinukuha.
6. Nuclear  – Ito ay enerhiya ng isang atom na may kapangyarihang nagmumula sa nuclear fission at nuclear fusion. Ayon sa power at utilities survey ng Deloitte, ang advanced nuclear technologies ay gaganap ng pinakamahalagang papel sa pagtugon sa tumataas na pangangailangan sa enerhiya sa mga susunod na taon.
7. Hydrogen – Ang hydrogen ay ginagawa mula sa iba’t ibang mapagkukunan at, kapag ginamit sa fuel cell, nagbubuo lamang ng tubig. Ang US Department of Energy (DOE) ay naglaan ng $7 bilyon upang paunlarin ang mga hydrogen hub.

Hydrogen bilang Isang Malakas na Malinis na Panggatong

Ang pinakaunang elemento sa periodic table, hydrogen (H), ay isang walang kulay, walang amoy, walang lasa, lubhang nasusunog, at hindi nakakalason na gas. Ito rin ang pinakasimpleng, pinakamagaan, at pinakamalawak na elemento.

Ngunit ang nagpapakilalang napaka-kaakit-akit ay ang katotohanang kapag nasunog, ang hydrogen ay nagbubuo lamang ng singaw ng tubig. Kapag ginawa gamit ang renewable energy, partikular na ang green hydrogen ay makakatulong mag-decarbonize ng mga sektor tulad ng transportasyon at pagbuo ng kuryente.

Sa gitna ng tumataas na pangangailangan sa enerhiya ng lipunan, ang hydrogen ay nag-aalok ng isang lubos na epektibong mapagkukunan ng malinis na enerhiya na maaaring potensyal na mabuo mula sa iba’t ibang mapagkukunan. Ito ay talagang isang energy carrier na maaaring gamitin upang ilipat, mag-imbak, at maghatid ng enerhiya na ginawa mula sa ibang mga mapagkukunan.

Ngayon, ang mga pinaka-karaniwang paraan upang makagawa ng hydrogen fuel ay:

1. Thermal Process – Ginagawa gamit ang mataas na temperatura na tinatawag na steam reforming, kung saan ang hydrogen ay nabubuo kapag ang steam ay nag-react sa mga hydrocarbon fuel tulad ng natural gas, diesel, gasified coal, gasified biomass, at renewable liquid fuels.
2. Electrolytic Process – Ang tubig (H2O) ay hinahati sa oxygen at hydrogen gamit ang kuryente. Ang proseso ay nangyayari sa loob ng electrolyzer, kung saan dumadaloy ang kuryente sa tubig, na nagdudulot ng paghihiwalay ng mga molekula.
3. Solar-driven Process – Ang liwanag ay ginagamit upang gumawa ng hydrogen at kinabibilangan ng iba’t ibang pamamaraan, tulad ng photobiological, photoelectrochemical, at solar thermochemical.
4. Biological Process – Ang hydrogen ay ginagawa sa pamamagitan ng mga biological na reaksyon gamit ang mga mikrobyo tulad ng bacteria at microalgae.

Ngayon, ang hydrogen ay may napakalaking potensyal upang tugunan ang pangangailangan ng lipunan sa malinis na enerhiya, ngunit ang problema ay may mga hamon pa rin na kailangang malampasan. Kabilang dito ang mass production, transportasyon, at imbakan. Kailangan din na ang produksyon ng hydrogen ay maging matatag at mura.

Ang hydrogen evolution reaction (HER) ay itinuturing na pinaka-eco-friendly at sustainable na paraan ng paggawa ng hydrogen. Ito ay isang cathodic reaction na kinabibilangan ng electrolysis ng tubig.

Sa prosesong electrochemical ng water splitting, ang mga metal tulad ng platinum, nickel, at iba pang transition metals ay ginagamit bilang mga katalista na nagbabawas ng mga proton tungo sa hydrogen gas.

Ang problema dito ay ang metal na karaniwang ginagamit bilang katalista, ang platinum, na bagaman nagbibigay ng napakamatinding catalytic performance, ay may isyu ng kakulangan at mataas na gastos. Dahil dito, tumataas ang pokus sa mga alternatibong katalista upang mabawasan ang konsumo ng mamahaling precious metals.

Ang Papel ng Platinum sa Paglilinis ng Hydrogen

Isang makinang, pilak-puting metal na minsang napagkakamalang pilak, ang platinum (Pt) ay susi sa pag-abot ng layunin ng net zero emissions. Ang dense, malleable, at makinang metal na ito ay lubhang hindi reaktibo at tumatagal sa korosyon, kahit sa mataas na temperatura.

Gayunpaman, ito ay isang napakabihirang metal, higit sa 30 beses na mas bihira kaysa ginto, na matatagpuan lamang sa konsentrasyon na 0.005 ppm sa crust ng Daigdig. Bilang isang scarce metal, ang platinum ay mahirap at magastos i-mina, na nagreresulta sa mas mahal na produkto.

Ang metal ay pangunahing mina sa South Africa, na nagtataglay ng higit sa 70% ng pandaigdigang suplay ng platinum, kasama ang Russia, Zimbabwe, Canada, at US.

Pagdating sa mga gamit, ang platinum ay ginagamit sa paggawa ng alahas, ngunit pinakamahalaga, ito ay ginagamit sa mga electronic components at catalytic converters upang bawasan ang emissions sa transportasyon. Noong 2022, humigit-kumulang 85 tonelada ng metal ang nagamit para sa catalytic converters lamang. Ito rin ay lumilitaw bilang isang kritikal na mineral sa pandaigdigang energy transition.

Ang metal ay partikular na napakahalaga sa mga electrolyzer, na may iba’t ibang uri, ngunit mas pinipili ng mga developer ng hydrogen project ang proton exchange membrane (PEM) electrolysis. Bilang mas epektibong alternatibo sa alkaline electrolysis, ang PEM electrolyzers ay gumagamit ng platinum upang lumikha ng lubos na mataas na performance na mga katalista.

Ang platinum ay ginagamit din sa PEM fuel cells, na gumagana katulad ng PEM electrolyzers ngunit pabaliktad. Sa halip na paghiwalayin ang hydrogen at oxygen, pinagsasama nila ito gamit ang platinum bilang katalista.

Ang mga hydrogen fuel cell ay binubuo ng dalawang electrode — isang anode (negative electrode) at isang cathode (positive electrode) na may electrolyte na naghihiwalay sa dalawa. Ang isang katalista, na isang patong ng metal tulad ng platinum, sa anode ay naghahati ng mga molecule ng hydrogen sa mga proton at electron, na gumagalaw patungo sa cathode upang lumikha ng daloy ng kuryente.

Ang napakagandang conductivity at chemical stability ng platinum ang dahilan kung bakit ito napakaepektibo bilang katalista. Ang kanilang kahusayan ay susi sa pag-abot ng mataas na energy conversion rates sa mga fuel cell, na nagpapahintulot sa kanila na makipagkumpetensya sa tradisyonal na mapagkukunan ng enerhiya.

Habang patuloy na tumataas ang pangangailangan para sa decarbonization, inaasahang tataas din ang demand para sa platinum dahil sa mga platinum-based PEM technologies na may potensyal na mag-ambag ng 11% ng global carbon dioxide emissions reductions.

Kaya’t tumataas ang pokus sa metal na ito sa buong mundo. Sa US, ang Inflation Reduction Act ay naglalaman ng tax benefit para sa low-carbon hydrogen na layuning pabilisin ang produksyon ng malinis na hydrogen at ang pag-aampon ng fuel cell EV. Ang REPowerEU ng European Commission naman ay naglalayong doblehin ang kapasidad ng malinis na hydrogen sa 80 GW pagsapit ng 2030.

Ayon sa World Platinum Investment Council, maaaring gawing pinakamalaking pinagmumulan (35%) ng demand para sa platinum ang produksyon ng malinis na hydrogen pagsapit ng 2040.

Bukod sa hindi balanseng demand-supply dynamics, ang paggamit ng precious metals tulad ng platinum ay nagdudulot pa ng karagdagang hamon, tulad ng mataas na gastos, posibleng degradation, at mga alalahanin sa kapaligiran. Bilang resulta, patuloy na nagsasaliksik ang mga mananaliksik ng mga paraan upang alisin ang platinum bilang hydrogen catalyst at makahanap ng mas magagandang alternatibo.

Click here to learn all about investing in Platinum.

Paggawa ng mga Katalista na Walang Platinum

Sa paghahangad ng hydrogen na walang platinum, ang mga mananaliksik mula sa UNSW Sydney ay nagsasagawa ng pag-aaral upang tugunan ang mga isyu na kaakibat ng paggamit ng mamahaling metal sa mga hydrogen fuel cell.

Ang mga mananaliksik ay nag-develop ng bagong teknik upang maunawaan kung bakit ang ilang catalyst materials ay may mas mababang stability kumpara sa Pt, na makakatulong sa ibang mananaliksik na mag-develop ng bagong materyales at mapabuti ang hinaharap na mga prospect ng mga platinum-free catalyst sa hydrogen fuel cells.

Ang mga teknik na binuo ay nagpakita na hanggang 75% ng iron-based active sites sa fuel cell ay naging hindi aktibo sa unang 10 oras ng operasyon. Ito ay pangunahing dahil sa pagkawala ng iron active sites, at ang carbon corrosion ay isa pang dahilan.

Sa isang hiwalay na pag-aaral¹, ang mga mananaliksik mula sa University of Wisconsin-Madison, Cornell University, at Wuhan University ay nakadiskubre ng bagong paraan ng pag-catalyze ng reaksyon para sa mga hydrogen fuel cell.

Gumamit ang mga mananaliksik ng murang, non-precious metal na nickel para sa parehong cathode at anode electrodes ng fuel cell. Ang nickel-based electrocatalyst ay dinisenyo na may 2-nanometer na shell na gawa sa nitrogen-doped carbon.

Ang pag-embed ng mga single nickel atoms sa isang graphene-like sheath na gawa sa carbon at nitrogen atoms ay nagbigay sa kanila ng resistensya laban sa oxidation at nag-bond ng mga hydrogen atom na may tamang lakas para sa epektibong hydrogen oxidation reaction (HOR).

Kaya, gamit ang anode catalyst na may solid nickel core na nakabalot sa carbon shell at cathode na gawa sa cobalt-manganese, nakalikha ang mga mananaliksik ng hydrogen fuel cell na walang anumang precious metal na may output na higit sa 200 mW/cm².

Noong 2020, natuklasan ng mga siyentipiko sa DOE’s Argonne National Laboratory at binuo ang pinaka-promising na platinum-free catalyst para sa hydrogen fuel cells na umaasa sa oxygen reduction reaction (ORR). Ito ay batay sa iron, nitrogen, at carbon, na pinaghalo at pinainit sa pagitan ng 900 at 1100 degrees Celsius sa pyrolysis.

Pagkatapos, ang mga iron atom ng materyal ay binond sa nitrogen atoms at inembed sa graphene. Dito, bawat iron atom ay nagiging site kung saan maaaring maganap ang ORR, kaya’t mas epektibo ang electrode.

Sa gitna ng tumataas na interes sa pagbawas ng pag-asa sa mamahaling platinum at pagpapabuti ng kahusayan at cost-effectiveness ng hydrogen fuel cells at electrolysis, nakabuo na ngayon ang mga siyentipiko ng palladium-based nanosheet catalyst na ang performance ay kapantay ng platinum sa produksyon ng hydrogen.

Palladium Bilang Alternatibo sa Platinum para sa Abot-kayang Hydrogen

Ang pinakabagong² na pag-aaral ay nagmula sa mga mananaliksik ng Tokyo University of Science (TUS) na nakabuo ng isang bagong hydrogen evolution catalyst, bis(diimino)palladium coordination nanosheets (PdDI).

Ang palladium ay isang makinang, pilak-puting metal at isa sa mga pinaka-abundant na platinum group metals na may density na mas mababa kaysa platinum.

Ang paggamit ng palladium, na nag-aalok ng kahusayan na katulad ng platinum sa fraction lamang ng gastos, ay nagbubukas ng daan para sa abot-kaya at sustainable na produksyon ng hydrogen upang pabilisin ang rebolusyong malinis na enerhiya.

Pinamunuan nina Propesor Hiroshi Nishihara at Dr. Hiroaki Maeda mula sa TUS kasama ang mga mananaliksik mula sa iba pang institusyon, ang pag-aaral ay nagmamarka ng isang breakthrough sa teknolohiyang hydrogen evolution reaction (HER).

Ang mga HER catalyst electrode ay nagpapadali ng conversion ng H, na nabubuo sa ibabaw ng electrode sa panahon ng water splitting, tungong hydrogen gas (H2). Upang mapagtagumpayan ang mga limitasyon ng Pt na humahadlang sa malawakang aplikasyon bilang HER catalyst, nag-alok ang koponan ng isang lubos na epektibong alternatibo para sa platinum catalysts gamit ang simpleng synthesis process.

Ang koponan ay lumikha ng palladium-based nanosheets na may kakayahang makamit ang mataas na catalytic activity na may mababang paggamit ng precious metal, na malaki ang nagpapababa sa gastos ng produksyon ng H2.

Ayon kay Dr. Maeda, “ang pag-develop ng epektibong HER electrocatalysts ay susi sa sustainable H2 production” at “Ang Bis(diimino)metal coordination nanosheets, na may mataas na conductivity, malaking surface area, at epektibong electron transfer, ay mga promising na kandidato.” Bilang karagdagan sa mga katangiang ito, ang sparse metal arrangement ng nanosheets ay nagbabawas ng paggamit ng materyales.

Ang mga PdDI nanosheets na tinatawag na E-PdDI at C-PdDI ay matagumpay na nabuo gamit ang dalawang magkaibang pamamaraan:

1. Electrochemical oxidation
2. Gas-liquid interfacial synthesis

Kapag na-activate, ang E-PdDI sheets ay nagpakita ng mababang overpotential na 34 mV, na nangangahulugang kaunting dagdag na enerhiya ang kinakailangan para sa produksyon ng hydrogen. Hindi lamang nito natutugunan ang overpotential ng platinum na 35 mV, kundi pati na rin ang catalytic performance ng precious metal na may exchange current density na 2.1 mA/cm².

Ang “kamangha-manghang performance” ay humigit sa hindi lamang ng Pd metal electrodes kundi pati na rin ng tradisyonal na MDI (M=Ni, Co, Cu) nanosheets, ayon sa pag-aaral, na nagdagdag na ang natatanging performance ay naabot kahit na gumamit ng napakaliit na dami ng precious metals.

Sa mga resulta, ang E-PdDI ay nagtatanghal ng pinaka-epektibong HER catalyst na nabuo hanggang ngayon, na ginagawa itong isang promising na low-cost na alternatibo sa platinum.

Pagdating sa long-term stability, na isa sa mga kritikal na aspeto ng anumang catalyst, ang mga PdDI nanosheets ay nagpakita rin ng mahusay na durability. Nanatili silang buo matapos ang 12 oras sa acidic conditions, na nagpapatunay ng kanilang applicability para sa real-world hydrogen production systems.

“Ang aming pananaliksik ay nagdadala sa atin ng isang hakbang papalapit sa paggawa ng produksyon ng H2 na mas abot-kaya at sustainable, isang mahalagang hakbang para sa pag-abot ng malinis na kinabukasan ng enerhiya.”

– Dr. Maeda

Sa pamamagitan ng pagbawas ng pag-asa sa kakaunti at mahal na platinum, ang bis(diimino)palladium coordination nanosheets (PdDI) ay sumasang-ayon din sa Sustainable Development Goals (SDGs) ng UN, na nagtataguyod ng abot-kayang at malinis na enerhiya pati na rin ang inobasyon at imprastruktura.

Kapansin-pansin, ang pag-aaral ay hindi limitado sa mga laboratoryong eksperimento. Ang cost-effectiveness, scalability, at pinahusay na activity ng PdDI nanosheets ay ginagawang napaka-kapaki-pakinabang sa malakihang energy storage systems, hydrogen fuel cells, at industriyal na produksyon ng hydrogen.

Higit pa rito, ang PdDI ay maaaring magbawas ng emissions mula sa pagmimina na kaakibat ng platinum-based catalysts, na nagpapabilis sa paglipat sa isang sustainable hydrogen economy. Ang susunod na hakbang para sa TUS team ay i-optimize ang PdDI nanosheets para sa real-world na paggamit.

Click here to learn all about investing in Palladiu

Mga Inobatibong Kumpanyang Maaaring Paglagakan ng Puhunan 

Tingnan natin ngayon ang isang kilalang pangalan sa larangan na tumutulong itaguyod ang mga teknolohiyang malinis na enerhiya, kabilang ang pag-develop ng mga platinum-free hydrogen catalyst.

Plug Power Inc.

Ang kumpanyang may market cap na $1.54 bilyon ay nag-specialize sa hydrogen fuel cell systems at nagsasaliksik ng mga non-platinum catalyst upang bawasan ang gastos at mapabuti ang kahusayan.

Sa kasalukuyan, ang mga share ng PLUG ay nagte-trade sa $1.71, bumaba ng 21.6% YTD. Ang EPS (TTM) ay -2.54, at ang P/E (TTM) ay -0.65.

Para sa Q4 2024, ang Plug Power (PLUG ) naglathala ng $191.5 milyon na kita at isang gross margin loss na 122%, habang ang operating cash flow ay tumaas ng 46% YoY. Nagtapos ito ng taon na may higit sa $200 milyon na unrestricted cash. Kamakailan lamang ay natapos ng kumpanya ang $1.66 bilyong DOE Loan Guarantee program.

Sa panahong ito, ang electrolyzer business ng Plug Power ay patuloy na lumalawak, at ang hydrogen business ay lumalakas.

“Ang 2024 ay isang taon ng matibay na pagpapatupad at makabuluhang strategic progress para sa Plug habang pinapaunlad namin ang aming mga inisyatiba at nagkakaroon ng mga hakbang sa pagpapalago ng hydrogen economy.”

– CEO Andy Marsh

Pinakabagong Balita sa Plug Power

Konklusyon

Sa mabilis na paglaki ng populasyon ng mundo, na inaasahang aabot sa humigit-kumulang 10.3 bilyon pagsapit ng kalagitnaan ng 2080s, ang problema ng greenhouse gas emissions ay magiging mas matindi. Ito ay lumilikha ng pangangailangan na bawasan ang ating pag-asa sa fossil fuel energy at yakapin ang mga mapagkukunan ng enerhiya na malinis, mas ligtas, sagana, at environment-friendly.

Dito, ang hydrogen energy ay lumitaw bilang isang pangunahing tagapagpaandar ng isang malinis at sustainable na hinaharap, na nag-aalok ng zero-emission na alternatibo sa fossil fuels. Bagaman may pangako, ang malakihang produksyon ng hydrogen ay lubos na nakasalalay sa mamahaling platinum-based catalysts, na nagiging malaking hamon sa gastos para sa industriya.

Sa pamamagitan ng pagpapalit ng mamahaling Pt metal ng PdDI nanosheets, ang pinakabagong pag-aaral ay nakamit ang isang breakthrough sa cost-effective na produksyon ng mga electrode at naghatid ng magagandang resulta sa mga industriya ng electrode supply, produksyon ng hydrogen, at mga sasakyan.

Click here for a list of top clean energy stocks with environmental focus. 

Mga Sangguniang Pag-aaral:

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). Isang Ganap na Walang Precious Metal na Alkaline Fuel Cell na may Pinahusay na Performance gamit ang 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