Νέος καταλύτης παράγει φθηνό πράσινο υδρογόνο καταργώντας την πανάκριβη πλατίνα

Σύνοψη

• Ερευνητές του Πανεπιστημίου Washington (WashU) στο St. Louis ανέπτυξαν μια νέα, εξαιρετικά αποδοτική μέθοδο παραγωγής υδρογόνου από την ηλεκτρόλυση του νερού.
• Η τεχνολογία καταργεί πλήρως τη χρήση πανάκριβων μετάλλων της ομάδας του λευκόχρυσου (PGM – πλατίνα), χρησιμοποιώντας έναν καινοτόμο καταλύτη δύο φωσφοριδίων.
• Το σύστημα συνδυάζει φωσφορούχο ρήνιο (Re2P) και φωσφορούχο μολυβδαίνιο (MoP) σε έναν ηλεκτρολύτη μεμβράνης ανταλλαγής ανιόντων (AEMWE).
• Ο καταλύτης λειτούργησε άψογα υπό βιομηχανικές συνθήκες (1 και 2 αμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό) για πάνω από 1.000 ώρες χωρίς να παρουσιάσει σημάδια φθοράς.
• Η εξέλιξη αυτή ανοίγει τον δρόμο για μαζική και βιώσιμη αποθήκευση της πλεονάζουσας ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές.

Η παραγωγή πράσινου υδρογόνου αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο για την πλήρη απεξάρτηση της βιομηχανίας από τα ορυκτά καύσιμα. Ωστόσο, η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης —ο διαχωρισμός του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο μέσω ηλεκτρικού ρεύματος— παραμένει απαγορευτικά ακριβή. Ο κύριος υπαίτιος είναι η εξάρτηση των ηλεκτρολυτών από σπάνια και εξαιρετικά δαπανηρά μέταλλα, όπως η πλατίνα και το ρουθήνιο, των οποίων το κόστος ξεπερνά συχνά τα 30.000 ευρώ ανά κιλό. 

Μια νέα έρευνα από το Πανεπιστήμιο Washington στο St. Louis (WashU), υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Gang Wu, έρχεται να δώσει την οριστική τεχνολογική λύση στο συγκεκριμένο κατασκευαστικό εμπόδιο, παρουσιάζοντας έναν εξαιρετικά ανθεκτικό καταλύτη, απαλλαγμένο από την ανάγκη χρήσης λευκόχρυσου.

Η ερευνητική ομάδα του WashU εστίασε την προσοχή της στους ηλεκτρολύτες μεμβράνης ανταλλαγής ανιόντων (Anion-Exchange Membrane Water Electrolyzer – AEMWE). Πρόκειται για συστήματα που χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια —προερχόμενη ιδανικά από ανανεώσιμες πηγές όπως ο ήλιος και ο άνεμος— για τη διάσπαση του νερού. Το πρόβλημα με τους παραδοσιακούς ηλεκτρολύτες είναι η γρήγορη φυσική φθορά των υλικών όταν δεν χρησιμοποιούνται πολύτιμα μέταλλα, καθιστώντας την αδιάκοπη βιομηχανική παραγωγή αδύνατη.

Πώς λειτουργεί ο νέος καταλύτης παραγωγής πράσινου υδρογόνου;

Ο νέος καταλύτης AEMWE του Πανεπιστημίου WashU διασπά το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο χρησιμοποιώντας ένα συνδυαστικό κράμα φωσφορούχου ρήνιου (Re2P) και φωσφορούχου μολυβδαινίου (MoP), καταργώντας την πλατίνα. Το ρήνιο αναλαμβάνει την προσρόφηση του υδρογόνου, ενώ το μολυβδαίνιο επιταχύνει τη διάσπαση του νερού, επιτυγχάνοντας σταθερή βιομηχανική λειτουργία 1-2 A/cm² για πάνω από 1.000 ώρες.

Τα βασικά τεχνικά πλεονεκτήματα του συστήματος

• Διαχωρισμός Εργασιών σε Μοριακό Επίπεδο: Το φωσφορούχο ρήνιο (Re2P) είναι βέλτιστο για τις διαδικασίες προσρόφησης και εκρόφησης του υδρογόνου. Αντίθετα, το φωσφορούχο μολυβδαίνιο (MoP) είναι επιφορτισμένο με την επιτάχυνση του ρυθμού διάσπασης των μορίων του νερού, ώστε να παρέχονται άμεσα τα απαραίτητα πρωτόνια στον αλκαλικό ηλεκτρολύτη.
• Συνέργεια Υλικών: Ο συνδυασμός των δύο αυτών φωσφοριδίων δημιουργεί ένα ετεροδομικό υλικό. Η σύνθεση αυτή ενισχύει θεαματικά την καταλυτική δραστηριότητα, ξεπερνώντας σε απόδοση τις κορυφαίες διαθέσιμες λύσεις που βασίζονται στην πλατίνα.
• Αντοχή σε Βιομηχανικά Φορτία: Όταν η ομάδα συνδύασε τον νέο καταλύτη φωσφοριδίων με μια άνοδο νικελίου-σιδήρου, το σύστημα διατήρησε την απόδοσή του σε βιομηχανικές πυκνότητες ρεύματος για περισσότερες από 1.000 ώρες συνεχούς λειτουργίας, χωρίς να καταγραφεί πτώση στην παραγωγική ικανότητα.

Το πρόβλημα της αποθήκευσης ενέργειας και η πραγματική του διάσταση

Στην πράξη, ο περιορισμός της ηλιακής και της αιολικής ενέργειας εντοπίζεται στην αδυναμία αποθήκευσής της. Όταν το δίκτυο δέχεται υπερβολικό φορτίο από τις ΑΠΕ κατά τη διάρκεια της ημέρας, μεγάλο μέρος της ενέργειας χάνεται εάν δεν καταναλωθεί άμεσα. Μετατρέποντας το νερό σε υδρογόνο, η ηλεκτρική ενέργεια “αποθηκεύεται” με τη μορφή ενός αερίου υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, το οποίο μπορεί να υγροποιηθεί, να μεταφερθεί και να χρησιμοποιηθεί σε κυψέλες καυσίμου οποιαδήποτε στιγμή. Όπως δηλώνει και ο καθηγητής Gang Wu, το υδρογόνο αποτελεί έναν εξαιρετικό ενεργειακό φορέα, απολύτως απαραίτητο όχι μόνο για την κίνηση βαρέων οχημάτων ή πλοίων, αλλά και για την τροφοδότηση της βαριάς βιομηχανίας (χημικά, χάλυβας) όπου ο εξηλεκτρισμός δεν επαρκεί.

Το στοίχημα δεν ήταν ποτέ αν η μέθοδος δουλεύει στο εργαστήριο, αλλά το πόσο κοστίζει η υλοποίησή της. Οι μέχρι τώρα προσπάθειες μείωσης του κόστους οδηγούσαν σε καταλύτες που διαβρώνονταν ταχύτατα μέσα στο σκληρό αλκαλικό περιβάλλον των ηλεκτρολυτών. Η υποκειμενική και φυσική πραγματικότητα ενός τέτοιου συστήματος είναι ότι η χημική αντίδραση δημιουργεί ακραίες μηχανικές και θερμικές καταπονήσεις στο υλικό. Η διατήρηση της δομικής ακεραιότητας για 1.000 ώρες υπό πυκνότητα 2 A/cm² υποδηλώνει ότι ο καταλύτης του WashU μπορεί ρεαλιστικά να εγκατασταθεί σε εμπορικές μονάδες παραγωγής χωρίς να απαιτεί διαρκείς και δαπανηρές διακοπές λειτουργίας για συντήρηση ή αντικατάσταση εξαρτημάτων.

Με τη ματιά του Techgear

Η ακαδημαϊκή έρευνα συχνά παράγει αποτελέσματα τα οποία, ενώ είναι εντυπωσιακά στα χαρτιά, απαιτούν δεκαετίες για να φτάσουν στη γραμμή παραγωγής. Στην προκειμένη περίπτωση, η ανακοίνωση του WashU διαθέτει το ειδικό βάρος που ψάχνουμε: βιομηχανικά στάνταρ δοκιμών. Το γεγονός ότι ο νέος καταλύτης δοκιμάστηκε σε πυκνότητες ρεύματος 1 και 2 A/cm² και διατήρησε την απόδοσή του για πάνω από 1.000 ώρες, μας δείχνει ότι το συγκεκριμένο κράμα PGM-free μπορεί να ενσωματωθεί σχετικά άμεσα σε υπάρχουσες υποδομές AEMWE. Η εμπορευματοποίηση αυτής της μεθόδου μπορεί να μειώσει δραστικά τα κόστη υποδομής, μετατρέποντας το υδρογόνο από “καύσιμο του μέλλοντος” σε άμεσα προσβάσιμη πηγή βιομηχανικής ενέργειας.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!