Ερευνητές ανέπτυξαν έναν νέο καταλύτη που θα μπορούσε να καταστήσει την παραγωγή υδρογόνου φθηνότερη και πιο πρακτική για τα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Το υδρογόνο θεωρείται εδώ και καιρό ένα από τα πιο υποσχόμενα καθαρά καύσιμα, καθώς μπορεί να αποθηκεύσει ανανεώσιμη ενέργεια και δεν παράγει εκπομπές άνθρακα κατά τη χρήση του.
Ωστόσο, η αποτελεσματική και οικονομικά προσιτή παραγωγή υδρογόνου παραμένει μια σημαντική πρόκληση, κυρίως επειδή οι πιο αποδοτικοί ηλεκτρολύτες σήμερα βασίζονται σε σπάνια και ακριβά μέταλλα της ομάδας του λευκόχρυσου (πλατίνας).
Η εύρεση φθηνότερων εναλλακτικών λύσεων που θα μπορούν να προσφέρουν υψηλές επιδόσεις θεωρείται βασικό βήμα για να γίνει πρακτικά εφικτή η μεγάλης κλίμακας αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας.
Τώρα, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Gang Wu, καθηγητή ενεργειακής, περιβαλλοντικής και χημικής μηχανικής στη Σχολή Μηχανικών McKelvey του Πανεπιστημίου Washington στο St. Louis, ανέπτυξε έναν νέο καταλύτη που θα μπορούσε να βοηθήσει στην υπέρβαση αυτών των εμποδίων.
Καινοτομία μέσω της χρήσης φωσφιδικών υλικών
Η ομάδα δημιούργησε έναν καταλύτη ετεροδομής για έναν ηλεκτρολύτη νερού με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων (AEMWE), ένα σύστημα που χρησιμοποιεί ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια για να διασπάσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο.
Συνδυάζοντας δύο φωσφιδικά υλικά, οι ερευνητές σχεδίασαν έναν καταλύτη που παράγει υδρογόνο αποτελεσματικά χωρίς να βασίζεται σε δαπανηρά υλικά με βάση τον λευκόχρυσο, μειώνοντας ενδεχομένως το κόστος παραγωγής καθαρού υδρογόνου.
Αποθήκευση ενέργειας σε φθηνότερους καταλύτες
Η ομάδα του Wu αναζητά υποκατάστατα για καταλύτες που εξαρτώνται από ακριβά μέταλλα της ομάδας του λευκόχρυσου. Η προσέγγισή τους επικεντρώνεται στη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο, τον άνεμο ή το νερό για τον διαχωρισμό του υδρογόνου από το νερό, μετατρέποντας την ανανεώσιμη ισχύ σε ένα καύσιμο που μπορεί να αποθηκευτεί και να χρησιμοποιηθεί αργότερα.
Μετατροπή ανανεώσιμης ισχύος σε αποθηκεύσιμο καύσιμο
«Η μετάβαση από το νερό στο υδρογόνο είναι ένας ιδιαίτερα επιθυμητός τρόπος με τον οποίο μπορούμε να αποθηκεύουμε ενέργεια για διάφορες εφαρμογές», δήλωσε ο Wu. «Το ίδιο το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορέας ενέργειας και είναι χρήσιμο σε διάφορες χημικές βιομηχανίες και τη μεταποίηση».
Η ομάδα συνδύασε φωσφίδιο του ρηνίου (Re2P) με φωσφίδιο του μολυβδαινίου (MoP) για να δημιουργήσει έναν σύνθετο καταλύτη, τα μέρη του οποίου συνεργάζονται για τη βελτίωση της παραγωγής υδρογόνου.
«Τα ευρήματά μας μας επέτρεψαν να αιτιολογήσουμε τον κρίσιμο ρόλο του σχεδιασμού του δικτύου δεσμών υδρογόνου στη διεπαφή καταλύτη/ηλεκτρολύτη για τον σχεδιασμό ηλεκτρολυτών AEMWE υψηλής απόδοσης και χαμηλού κόστους», δήλωσε ο Wu.
«Ο καταλύτης μας παρουσίασε τη χαμηλότερη αντίσταση σε όλο το εύρος δυναμικού που μελετήθηκε, γεγονός που υποδηλώνει την ταχύτερη κινητική προσρόφησης υδρογόνου μεταξύ των καταλυτών που εξετάστηκαν. Αυτοί οι νέοι δείκτες απόδοσης και ανθεκτικότητας καθιστούν τον καταλύτη μας μία από τις πιο υποσχόμενες διατάξεις ηλεκτροδίων μεμβράνης για πρακτικούς ηλεκτρολύτες νερού με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων».
Το ρήνιο βοηθά στην προσρόφηση και την απορρόφηση του υδρογόνου, ενώ το μολυβδαίνιο βοηθά στην επιτάχυνση της διάσπασης του νερού, η οποία παρέχει πρωτόνια στον αλκαλικό ηλεκτρολύτη.
Επιδόσεις και ανθεκτικότητα σε βιομηχανικό επίπεδο
Όταν ο καταλύτης συνδυάστηκε με μια άνοδο νικελίου-σιδήρου, η κάθοδος που προέκυψε είχε καλύτερη απόδοση από μια κορυφαία κάθοδο κατασκευασμένη από άλλα υλικά και ξεπέρασε ακόμη και το πρότυπο αναφοράς των μετάλλων της ομάδας του λευκόχρυσου (PGM).
Οι ερευνητές έδειξαν επίσης ότι θα μπορούσε να λειτουργήσει σε βιομηχανικές πυκνότητες ρεύματος 1 και 2 αμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό για περισσότερες από 1.000 ώρες. Ο Wu δήλωσε ότι αυτό την καθιστά μία από τις πιο ανθεκτικές καθόδους χωρίς μέταλλα της ομάδας του λευκόχρυσου για ηλεκτρολύτες νερού με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων.
