Jak pewien unijny projekt dokonał przełomu w zakresie elektrolizy wodoru?
Wytwarzanie wodoru poprzez elektrolizę wody może zrewolucjonizować sposób przechowywania i transportu energii ze źródeł odnawialnych. Wykorzystywane w procesie elektrolizy ogniwa z membraną do wymiany protonów, które rozszczepiają cząsteczki wody na wodór i tlen, opierają się na drogich materiałach, a ich osiągi i wydajność z czasem spadają. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu Thin-CATALYzER(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opracował innowacyjną architekturę warstwy katalizatora, która obejmuje nanowłókna węglowe, ultracienkie warstwy ceramiczne i nanocząstki katalityczne. Nowatorska konstrukcja zwiększa sprawność, jednocześnie zmniejszając zależność Europy od surowców krytycznych.
Nowa architektura katalizatora zwiększa sprawność
Zespół projektu Thin-CATALYzER opracował warstwę katalizatora typu rdzeń-osłona wykonaną z nanowłókien węglowych pokrytych ultracienką warstwą ceramiczną z tlenoazotku tytanu (TiON). Nancząstki irydu rozproszone na powierzchni zwiększają sprawność katalizy. „Jednym z najtrudniejszych aspektów rozwoju elektrod niskotemperaturowych wykorzystywanych w elektrolitach wodnych jest stosunkowo wysoki poziom dojrzałości technologicznej”, wyjaśnia Federico Baiutti, koordynator projektu. „W ramach projektu Thin-CATALYzER zbadaliśmy potencjał łączenia metod wytwarzania cienkich warstw z tradycyjną syntezą chemiczną, aby zbadać inne ścieżki technologiczne i otworzyć nowe możliwości rozwoju tej dziedziny”. Powłoka ceramiczna zapewnia przewodność elektryczną i ochronę przed korozją, z kolei elektroprzędzenie(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (skalowalna technika odpowiednia do zastosowań przemysłowych) szybko i wydajnie wytwarza wysokiej jakości nośniki z włókna węglowego.
Trwałość i oszczędność surowców
Choć zmniejszenie ilości krytycznych surowców, w tym irydu, ma kluczowe znaczenie z punktu widzenia celów projektu, wymaga także stawienia czoła wyzwaniom związanym ze znalezieniem równowagi między efektywnym wykorzystaniem surowców i sprawnością procesu katalizy. Nanostrukturalne katalizatory działają sprawniej, ponieważ mają większą powierzchnię, ale mogą ulegać rozkładowi lub sklejaniu, gdy zostaną wystawione na trudne warunki elektrochemiczne. Baiutti podkreśla, że ciągła optymalizacja jest niezwykle istotna: „Znalezienie równowagi między oszczędnością surowców i sprawnością katalizy pozostaje głównym wyzwaniem w tej dziedzinie. Znalezienie tej równowagi wymaga ciągłej optymalizacji metod syntezy, materiałów pomocniczych i strategii ochronnych”. Aby zwiększyć stabilność katalizatorów, w ramach projektu badacze sprawdzili możliwość włączenia domieszek zapobiegających utlenianiu nośnika i zastosowali inteligentne strategie projektowania, aby zapewnić wysoką sprawność katalizatora w rzeczywistych warunkach pracy.
Od przełomu laboratoryjnego do rozwiązania przemysłowego
W ramach projektu zespół współpracował z partnerami przemysłowymi w celu oceny komercyjnej opłacalności opracowywanych innowacji. Wymagało to uwzględnienia skalowalności i niezawodności w dłuższym ujęciu czasowym, wskazując rozdźwięk między wynikami doświadczeń laboratoryjnych i wymogami przemysłu. „Aby innowacyjne rozwiązanie mogło być wykorzystane w praktyce, należy opracować łatwą i skalowalną ścieżkę produkcji, a także zadbać o doskonałe osiągi i niezawodność w dłuższym ujęciu czasowym”, zauważa Baiutti. „Wzmocnienie powiązań między światem nauki i przemysłu byłoby niezwykle korzystne z punktu widzenia zbieżności oczekiwań i wysiłków”. Wszechstronność katalizatorów opracowanych w ramach projektu Thin-CATALYzER toruje drogę do nowatorskich rozwiązań, w tym innowacyjnych urządzeń elektrochemicznych, takich jak ogniwa paliwowe i akumulatory. Dopasowanie wykorzystywanych surowców może przysłużyć się projektowaniu czystszych systemów magazynowania i przetwarzania energii. Dzięki innowacyjnemu projektowi katalizatora, zespół projektu Thin-CATALYzER położył podwaliny pod bardziej zrównoważone i wydajne technologie produkcji wodoru, wspierając przejście Europy na bardziej ekologiczną gospodarkę.
