Obfite zasoby czystej energii czają się na widoku. To wodór, który możemy wydobyć z wody (H2O) za pomocą energii odnawialnej. Naukowcy poszukują tanich metod produkcji czystego wodoru z wody w celu zastąpienia paliw kopalnych w ramach walki ze zmianami klimatycznymi.
Wodór może napędzać pojazdy, emitując jedynie wodę. Wodór jest również ważnym związkiem chemicznym w wielu procesach przemysłowych, zwłaszcza w produkcji stali i amoniaku. Stosowanie czystszego wodoru jest wysoce pożądane w tych branżach.
Wieloinstytucjonalny zespół kierowany przez Narodowe Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) opracował tani katalizator do procesu, w którym uzyskuje się czysty wodór z wody. Inni współpracownicy to Sandia National Laboratories z DOE i Lawrence Berkeley National Laboratory, a także Giner Inc.
„Proces zwany elektrolizą wytwarza wodór i tlen z wody i istnieje od ponad wieku” – powiedział Di-Jia Liu, starszy chemik w Argonne. Pełni także wspólne stanowisko w Pritzker School of Molecular Engineering na Uniwersytecie w Chicago.
Elektrolizery z membraną do wymiany protonów (PEM) reprezentują nową generację technologii dla tego procesu. Mogą rozszczepiać wodę na wodór i tlen z wyższą wydajnością w temperaturze zbliżonej do pokojowej. Zmniejszone zapotrzebowanie na energię czyni je idealnym wyborem do produkcji czystego wodoru przy użyciu odnawialnych, ale nieciągłych źródeł, takich jak słońce i wiatr.
Ten elektrolizer działa z oddzielnymi katalizatorami dla każdej z jego elektrod (katody i anody). Katalizator katodowy wytwarza wodór, podczas gdy katalizator anodowy tworzy tlen. Problem polega na tym, że katalizator anodowy wykorzystuje iryd, którego obecna cena rynkowa wynosi około 5000 USD za uncję. Brak dostaw i wysokie koszty irydu stanowią główną barierę dla powszechnego zastosowania elektrolizerów PEM.
Głównym składnikiem nowego katalizatora jest kobalt, który jest znacznie tańszy niż iryd. „Staraliśmy się opracować niedrogi katalizator anodowy w elektrolizerze PEM, który generuje wodór z dużą przepustowością przy minimalnym zużyciu energii” – powiedział Liu. „Dzięki zastosowaniu katalizatora na bazie kobaltu przygotowanego naszą metodą można usunąć główne wąskie gardło kosztów produkcji czystego wodoru w elektrolizerze”.
Giner Inc., wiodąca firma badawczo-rozwojowa zajmująca się komercjalizacją elektrolizerów i ogniw paliwowych, oceniła nowy katalizator za pomocą swoich stacji testowych elektrolizerów PEM w przemysłowych warunkach operacyjnych. Wydajność i trwałość znacznie przewyższają katalizatory konkurencji.
Dla dalszego zwiększania wydajności katalizatora ważne jest zrozumienie mechanizmu reakcji w skali atomowej w warunkach pracy elektrolizera. Zespół rozszyfrował krytyczne zmiany strukturalne zachodzące w katalizatorze w warunkach roboczych, korzystając z analiz rentgenowskich w Advanced Photon Source (APS) w Argonne. Zidentyfikowali również kluczowe cechy katalizatora za pomocą mikroskopii elektronowej w Sandia Labs oraz w Centrum Materiałów Nanoskalowych (CNM) w Argonne. Zarówno APS, jak i CNM są obiektami dla użytkowników DOE Office of Science.
“Zobrazowaliśmy strukturę atomową na powierzchni nowego katalizatora na różnych etapach przygotowania” – powiedział Jianguo Wen, naukowiec zajmujący się materiałami z Argonne.
Ponadto modelowanie komputerowe w Berkeley Lab dostarczyło ważnych informacji na temat trwałości katalizatora w warunkach reakcji.
Osiągnięcie zespołu jest krokiem naprzód w inicjatywie DOE Hydrogen Energy Earthshot, która naśladuje amerykański program kosmiczny „Moon Shot” z lat 60. Jego ambitnym celem jest obniżenie kosztów produkcji ekologicznego wodoru do jednego dolara za kilogram w ciągu dekady. Produkcja zielonego wodoru za taką cenę mogłaby zmienić gospodarkę kraju. Zastosowania obejmują sieć elektryczną, produkcję, transport oraz ogrzewanie mieszkalne i komercyjne.
“Mówiąc bardziej ogólnie, nasze wyniki wyznaczają obiecującą ścieżkę do zastąpienia katalizatorów wykonanych z drogich metali szlachetnych pierwiastkami, które są znacznie tańsze i występują w większej ilości” – zauważył Liu.
Badania te zostały opublikowane 12 maja w Science i były wspierane przez Biuro DOE ds. Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej, Biura Technologii Wodorowych i Ogniw Paliwowych, a także przez fundusze Argonne Laboratory Directed Research and Development.
Oprócz Liu autorami Argonne są Lina Chong (obecnie na Uniwersytecie Jiao Tong w Szanghaju), Jianguo Wen, Haiping Xu, A. Jeremy Kropf, Wenqian Xu i Xiao-Min Lin. Autorami z Berkeley Lab są Guoping Gao, Haixia Li i Ling-Wang Wang. Autorem z Sandia Labs jest Joshua D. Sugar. Współtwórcy Zach Green i Hui Xu pochodzą z Giner Inc.