Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Washington του Σεντ Λούις ανέπτυξαν έναν νέο καταλύτη που παράγει καθαρό υδρογόνο χωρίς να βασίζεται σε ακριβά μέταλλα πλατίνας, ανοίγοντας τον δρόμο για φθηνότερη και πιο αποδοτική παραγωγή ανανεώσιμου καυσίμου υδρογόνου.
Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μπορούν να μειώσουν τις επιβλαβείς εκπομπές, να περιορίσουν την εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα και να βελτιώσουν την ενεργειακή απόδοση. Ωστόσο, πολλές τεχνολογίες καθαρής ενέργειας παραμένουν ακριβές επειδή εξαρτώνται από δαπανηρά υλικά, όπως τα μέταλλα της ομάδας λευκόχρυσου (PGM), ενώ παράλληλα απαιτούν αποδοτικούς τρόπους αποθήκευσης ενέργειας για μελλοντική χρήση.
Νέος καταλύτης χωρίς πλατίνα
Η ομάδα του καθηγητή Gang Wu, από τη Σχολή Μηχανικών McKelvey, επικεντρώθηκε στην αντικατάσταση των ακριβών υλικών με βάση την πλατίνα που χρησιμοποιούνται συνήθως σε συστήματα παραγωγής υδρογόνου. Η προσέγγισή τους χρησιμοποιεί ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ηλιακό φως, άνεμο ή νερό για να τροφοδοτήσει τον διαχωρισμό του υδρογόνου από τα μόρια του νερού.
«Η μετάβαση από το νερό στο υδρογόνο είναι ένας πολύ επιθυμητός τρόπος αποθήκευσης ενέργειας για διάφορες εφαρμογές», δήλωσε ο Wu. «Το ίδιο το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορέας ενέργειας και είναι χρήσιμο για διαφορετικές χημικές βιομηχανίες και μεταποιητικές διαδικασίες».
Για την κατασκευή του καταλύτη, οι ερευνητές συνδύασαν φωσφίδιο του ρηνίου (Re₂P) και φωσφίδιο του μολυβδαινίου (MoP). Μαζί, τα δύο υλικά δημιούργησαν ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό σύνθετο υλικό που βελτίωσε τη διαδικασία εξαγωγής υδρογόνου. Το ρήνιο βοήθησε το υδρογόνο να προσκολλάται και να απελευθερώνεται από την επιφάνεια του καταλύτη, ενώ το μολυβδαίνιο επιτάχυνε τη διάσπαση του νερού στον αλκαλικό ηλεκτρολύτη.
Ανθεκτική απόδοση για καθαρή ενέργεια
Η ομάδα συνδύασε τον νέο καταλύτη με μια άνοδο νικελίου-σιδήρου και διαπίστωσε ότι το σύστημα είχε καλύτερη απόδοση από έναν κορυφαίο σύγχρονο κάθοδο, συμπεριλαμβανομένου ενός που βασιζόταν σε υλικά PGM. Σύμφωνα με τον Wu, ο καταλύτης λειτούργησε για περισσότερες από 1.000 ώρες σε βιομηχανικές πυκνότητες ρεύματος 1 και 2 αμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό. Αυτό τον καθιστά έναν από τους πιο ανθεκτικούς καθόδους χωρίς πλατίνα που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα για ηλεκτρολύτες με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων.
«Τα ευρήματά μας μας επέτρεψαν να κατανοήσουμε τον κρίσιμο ρόλο της μηχανικής του δικτύου δεσμών υδρογόνου στη διεπαφή καταλύτη/ηλεκτρολύτη για τον σχεδιασμό αποδοτικών και χαμηλού κόστους AEMWE», εξήγησε ο Wu. «Ο καταλύτης μας έδειξε τη χαμηλότερη αντίσταση σε όλο το εύρος δυναμικού που μελετήθηκε, υποδηλώνοντας την ταχύτερη κινητική προσρόφησης υδρογόνου μεταξύ των καταλυτών που μελετήθηκαν. Αυτές οι επιδόσεις και οι μετρήσεις ανθεκτικότητας καθιστούν τον καταλύτη μας μία από τις πιο υποσχόμενες συναρμολογήσεις μεμβράνης-ηλεκτροδίου για πρακτικούς ηλεκτρολύτες με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων».
Προοπτικές για μαζική παραγωγή υδρογόνου
Αν και τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε εργαστηριακή κλίμακα, οι ερευνητές σχεδιάζουν να συνεχίσουν τη μελέτη για να διαπιστώσουν εάν η τεχνολογία μπορεί να επεκταθεί για βιομηχανική χρήση. Η επιτυχία αυτή θα μπορούσε να επιταχύνει σημαντικά τη μετάβαση από τα ορυκτά καύσιμα, καθιστώντας το υδρογόνο μια οικονομικά βιώσιμη εναλλακτική λύση για την αποθήκευση ενέργειας και τις μεταφορές.