Jeftin i izdržljiv katalizator otvara put masovnoj upotrebi vodonika

Vodonik se već dugo smatra jednim od najboljih tipova ekološkog goriva. Elektroliza vode, proces u kome se molekul vode pomoću električne struje razbija na čist vodonik i kiseonik, predstavlja ekološki najsavršeniji način proizvodnje ovog gasa, ali se dosadašnja tehnologija vrtela u začaranom krugu visoke cene i niske efikasnosti.

Najnapredniji komercijalni uređaji morali su da koriste katalizatore na bazi izuzetno skupih metala platinske grupe, pre svega same platine i iridijuma, što je masovnu industrijsku proizvodnju činilo ekonomski potpuno neodrživom za globalno tržište.

Preporučujemo

Kako prenosi SciTechDaily, međunarodni tim naučnika uspeo je da preokrene ovu paradigmu razvojem inovativnog heterostrukturnog katalizatora koji koristi znatno jeftinije i dostupnije materijale, a pritom postiže do sada neviđenu stabilnost i efikasnost u rigoroznim industrijskim uslovima.

Ovaj veliki tehnološki proboj predvodio je istraživački tim sa Fakulteta za inženjerstvo i primenjene nauke Univerziteta u Bafalu (University at Buffalo), pod direktnim vođstvom profesora Ganga Vua sa Departmana za hemijsko i biološko inženjerstvo. U potrazi za zamenom za skupocenu platinu, profesor Vu i njegovi saradnici usmerili su svoja istraživanja ka naprednim sistemima poznatim kao elektrolizeri sa anjonsko-izmenjivačkom membranom.

Ovaj tip elektrolize radi u alkalnoj sredini, što teoretski otvara vrata za korišćenje metala koji ne pripadaju grupi plemenitih, ali je najveći problem do sada bila njihova kratkotrajnost, jer bi se većina jeftinih materijala pod uticajem agresivne elektrohemijske sredine i visoke gustine struje raspala nakon svega nekoliko sati rada.

Da bi rešili ovaj problem stabilnosti, timu sa Univerziteta u Bafalu pridružili su se naučnici sa Instituta za nauku i tehnologiju u Gvangžuu iz Južne Koreje i Bostonskog koledža, koji su pomoću kompjuterskog modeliranja i kvantno-hemijskih proračuna mapirali tačno kretanje elektrona na površini novog materijala.

Suština ovog izuma leži u precizno dizajniranoj sinergiji dva specifična fosfidna materijala, odnosno renijum-fosfida i molibden-fosfida, koji su spojeni u jedinstvenu i unikatnu heterostrukturu. Naučnici su otkrili da slaganjem ovih jedinjenja na atomskom nivou nastaje kompozitni materijal u kome svaka komponenta obavlja tačno specijalizovan zadatak, čime se uspešno oponaša, pa čak i prevazilazi katalitička moć čiste platine.

Unutar ovog sistema, molibden-fosfid preuzima ulogu primarnog pokretača reakcije koji dramatično ubrzava samo cepanje molekula vode i obezbeđuje konstantan priliv slobodnih protona u alkalnom elektrolitu. U isto vreme, neposredno uz njega, renijum-fosfid obavlja ključnu ulogu kontrole adsorpcije i desorpcije samog vodonika, što znači da on omogućava da se oslobođeni atomi efikasno vežu za površinu katalizatora, brzo formiraju stabilan molekul gasa, a zatim se trenutno otcepe i oslobode, čime se sprečava zagušenje i blokada aktivnih mesta na katodi.

Ono što ovaj pronalazak izdvaja od stotina sličnih laboratorijskih uspeha koji nikada ne napuste epruvete jeste njegova izuzetna i dokumentovana industrijska trajnost. Vuov tim je sproveo izuzetno rigorozna testiranja u realnim radnim uslovima i eksperimentalno dokazao da njihov novi heterostrukturni katalizator može stabilno i bez prekida da radi pri visokim industrijskim gustinama struje od jednog i čak dva ampera po kvadratnom centimetru duže od hiljadu sati.

Tokom celog ovog dugotrajnog testnog perioda u elektrolizeru, materijal je pokazao zanemarljiv pad efikasnosti i zadržao je svoju strukturnu celovitost, što ga trenutno svrstava u sam vrh najizdržljivijih katoda bez prisustva plemenitih metala na svetu i otvara direktan put ka komercijalnoj primeni u teškoj industriji.

Dalekosežne implikacije ovog uspeha mogle bi u potpunosti da transformišu globalnu energetsku tranziciju i ubrzaju eliminaciju fosilnih goriva. Omogućavanjem jeftinije, masovne i visokoefikasne proizvodnje zelenog vodonika, ogroman višak električne energije koji proizvedu vetroparkovi i solarni paneli tokom sunčanih i vetrovitih dana konačno se može skladištiti u tečnom ili gasovitom stanju, umesto da se gubi usled preopterećenja elektroenergetske mreže.

Tako dobijeni jeftini vodonik može se kasnije koristiti ne samo kao ekološki čisto pogonsko gorivo za transport, kamione i brodove, već i kao primarna energetska sirovina u hemijskoj industriji i metalurgiji, čime se direktno eliminiše emisija ugljen-dioksida u granama privrede koje su do sada bile najveći zagađivači planete.

(Telegraf Nauka / SciTech Daily)