Technologia nanostrukturalna usprawnia wytwarzanie energii wodorowej
Wodór jest obiecującym źródłem czystej energii. Najlepszym sposobem na uzyskanie go jest elektroliza wody z wykorzystaniem energii elektrycznej do rozszczepienia cząsteczki wody na wodór i tlen. Przeprowadzając ją przy użyciu energii odnawialnej, możliwe jest uzyskanie wodoru przy zerowej emisji netto – wówczas jest to tzw. „ekologiczny wodór”. Fundamentalne znaczenie dla tego procesu mają elektrokatalizatory reakcji wydzielania wodoru(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ang. hydrogen evolution reaction HER), materiały wspomagające reakcję. Ze względu na swoją wysoką aktywność katalityczną platyna jest najpopularniejszym i szeroko stosowanym elektrokatalizatorem HER. Jest ona jednak droga i dostępna w małych ilościach, co stanowi przeszkodę w wykorzystaniu jej w zastosowaniach przemysłowych. W ramach projektu HyCat, wspieranego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), opracowano innowacyjną nanostrukturę, która ma na celu zmniejszenie ilości platyny potrzebnej w reakcji i mogłaby obniżyć koszty. „Kluczowym celem tego projektu jest opracowanie nowego i wydajnego elektrokatalizatora do wytwarzania wodoru poprzez elektrolizę wody”, mówi Liberato Manna(odnośnik otworzy się w nowym oknie), starszy pracownik naukowy we Włoskim Instytucie Technologii i koordynator projektu HyCat.
Tworzenie nanostrukturalnego układu elektrokatalizatora
Aby stworzyć nowy elektrokatalizator, badacze najpierw zanurzają odbierak prądu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wykonany z tytanu w kąpieli chemicznej, która zawiera miedź i inne odczynniki. W wyniku tego na powierzchni tytanu w postaci pionowych nanopłytek(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pojawia się tlenek miedzi. Te nanopłyki – w istocie „rdza miedzi”, mówi Manna – są przekształcane w metaliczną miedź o dużym przewodnictwie elektrycznym poprzez doprowadzenie napięcia redukującego do leżącego poniżej odbieraka prądu. Na koniec, nadal podając napięcie redukujące, dodaje się roztwór zawierający sól platyny, który osadza na miedzianych nanostrukturach nanocząstki platyny. „W wyniku tej złożonej procedury otrzymujemy katodę, która charakteryzuje się stabilnością mechaniczną i chemiczną, pozwalającą w szczególności na optymalne rozproszenie nanocząstek platyny”, wyjaśnia Manna. „To maksymalizuje jej powierzchnię, a zatem minimalizuje jej zużycie i ogólny koszt technologii”, mówi.
Próby eksploatacyjne nowego elektrokatalizatora
W czasie trwania projektu HyCat jego zespół przeprowadził setki eksperymentów, aby zoptymalizować szereg parametrów. Drogą platynę można by zastąpić znacznie tańszym rutenem (innym metalem z grupy platynowców), za około jedną trzecią kosztów. Średnia ilość rutenu na elektrodzie wynosiła zaledwie 53 μg/cm2, czyli 10 razy mniej niż platyna stosowana w innych najnowocześniejszych elektrolizerach. „Nasza zoptymalizowana katoda jest konkurencyjna pod względem wydajności”, zauważa Manna. „Po złożeniu w pojedynczą komórkę nasza technologia wykracza poza obecny stan wiedzy”, dodaje. W przypadku zastosowania układu w elektrowni wodorowej o mocy 1 MW koszt produkcji wynosi około 2,26 USD/kg wodoru – zgodnie z docelowym kosztem ekologicznego wodoru określonym przez Komisję Europejską na rok 2030 na poziomie poniżej 2,50 USD/kg.
Skalowanie technologii
Kolejnym krokiem w ramach projektu jest dalsza rozbudowa elektrody do praktycznego rozmiaru około 100 cm2. Mniej więcej w tej skali elektrolizer stanie się użyteczny do wytwarzania wodoru na potrzeby własne, umożliwiając wytwarzanie energii w skali kilowatowej. Przy użyciu elektrolizera o mocy 2,5 kW można na przykład wyprodukować około 1 kg wodoru dziennie, co wystarcza do zasilenia domu. „W oparciu o dane dotyczące wydajności uzyskane przy użyciu tego elektrolizera zostaną przeprowadzone dalsze badania, aby zapewnić dogłębną analizę perspektyw budowy elektrowni wodorowych w skali megawatowej z wykorzystaniem naszych elektrokatalizatorów do produkcji na masową skalę”, mówi Manna.
