Obiecujący nowy katalizator przybliża nas do ekologicznej produkcji wodoru
Wodór ma szansę rozwiązać problem przyszłego zapotrzebowania energetycznego. Potencjalnie może znaleźć zastosowanie w napędach pojazdów, w tym samochodów, łodzi i pociągów, w zasilaniu gospodarstw domowych i procesów przemysłowych. Wodór wytwarzany z odnawialnych źródeł energii jest czystym paliwem – podczas przemiany w ogniwie paliwowym powstaje tylko woda. Paliwo wodorowe może służyć do magazynowania energii słonecznej w wyniku rozszczepienia wody na wodór i tlen w procesie elektrolizy. Kluczowa w tym procesie reakcja wydzielania tlenu (OER) wymaga zastosowania katalizatorów. Zatem umożliwienie produkcji wodoru dzięki energii słonecznej na dużą skalę będzie wymagało opracowania wydajnych i odpornych na zużycie katalizatorów z niedrogich materiałów.
Dziesięciokrotny wzrost wydajności
Projekt FANOEC (Fundamentals and Applications of Inorganic Oxygen Evolution Catalysts), wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN), otwiera w tej dziedzinie nowe perspektywy poprzez wskazanie katalizatora, który spełnia wszystkie te warunki. „Odkryliśmy dwufunkcyjny katalizator żelazowo-niklowy, który jest około dziesięciokrotnie bardziej wydajny od wzorcowego”, wyjaśnia Xile Hu, profesor chemii na Politechnice Federalnej w Lozannie i główny badacz projektu FANOEC. Przygotowanie nowo odkrytego katalizatora jest łatwe, a sam produkt wykazuje znaczną stabilność. Dwufunkcyjny mechanizm, który obejmuje dwa współpracujące ze sobą miejsca aktywne, zwiększa aktywność katalizatora, poprawiając w ten sposób jego ogólną wydajność.
Głębokie rozumienie
Chociaż od dawna wiadomo, że tlenki metali stanowią potencjalne katalizatory reakcji OER, szczegóły tego procesu były poznane w zaledwie niewielkim stopniu. Zespół naukowców projektu FANOEC zdołał zrozumieć procesy reakcji OER na tlenkach metali na poziomie molekularnym i w oparciu o tę wiedzę opracować lepsze katalizatory: „W efekcie powstały jedne z najlepszych katalizatorów, które można zastosować w przyszłości w różnych urządzeniach”, zauważa Hu. Aby to osiągnąć, zespół opracował kilka nowych narzędzi, które zwiększają naszą wiedzę na temat molekularnego funkcjonowania katalizatorów OER. Na podstawie wniosków z badań opracowano nowe metody syntezy i opisano kluczowe zasady projektowania wydajnych katalizatorów OER.
W stronę urządzeń nowej generacji
Uzyskane wyniki otwierają drogę do konstruowania lepszych elektrolizerów i ostatecznie do dostosowania ich do produkcji na dużą skalę. Hu zwraca uwagę, że urządzenia do rozszczepiania wody są obecnie nadal zbyt kosztowne i trudne do zastosowania w większej skali. Projekt w istotny sposób przyczynił się do pokonania tych przeszkód. „Stanowi dla nas źródło wiedzy, a nawet pozwala wskazać potencjalny katalizator do zastosowania w elektrolizerach nowej generacji”. Obecnie Hu wraz ze współpracownikami poszukuje nowych sposobów integracji katalizatorów z elektrolizerami i opracowania bardziej wydajnych urządzeń. Jednak zanim świat ujrzy wreszcie zielone paliwa wodorowe, jest jeszcze wiele do zrobienia, mówi Hu: „Aby neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla produkcja wodoru na dużą skalę stała się możliwa, potrzebna jest dodatkowa optymalizacja systemu i badania, a także współpraca między uczelniami i przemysłem”.
Słowa kluczowe
FANOEC, paliwo wodorowe, reakcja wydzielania tlenu, OER, katalizator, tlenek metalu, energia słoneczna, elektrolizer
