Ένα από τα μεγαλύτερα στοιχήματα για το μέλλον του πλανήτη είναι η στροφή σε καθαρές μορφές ενέργειας, με το πράσινο υδρογόνο να βρίσκεται στο επίκεντρο αυτής της επανάστασης.
Μέχρι σήμερα, όμως, η παραγωγή του συναντούσε ένα μεγάλο εμπόδιο: το υψηλό κόστος και τη γρήγορη φθορά των μηχανημάτων. Μια νέα, ανατρεπτική επιστημονική ανακάλυψη έρχεται να αλλάξει τα δεδομένα.
Φανταστείτε ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο που, αντί να φθείρεται και να ατονεί με τη χρήση, αυτο-αναδομείται και γίνεται ακόμα πιο αποδοτικό όσο περνάει ο χρόνος.
Αυτή η καινοτομία υπόσχεται να κάνει τους ηλεκτρολύτες να λειτουργούν πιο εντατικά και για πολύ περισσότερο, ανοίγοντας διάπλατα τον δρόμο για φθηνή και βιώσιμη ενέργεια.
Μια μεταλλική επιφάνεια που γίνεται πιο ενεργή καθώς μεταβάλλεται, θα μπορούσε να βοηθήσει τους ηλεκτρολύτες πράσινου υδρογόνου να λειτουργούν πιο εντατικά και για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
Ερευνητές από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών ανέπτυξαν ένα ηλεκτρόδιο που συνδυάζει πέντε μέταλλα σε μια δομή αντιπεροβσκίτη υψηλής εντροπίας.
Το υλικό αυτό, υποστηριζόμενο από πορώδη αφρό νικελίου, βοήθησε έναν ηλεκτρολύτη μεμβράνης ανταλλαγής ανιόντων (AEM) να διατηρήσει πυκνότητες ρεύματος βιομηχανικής κλίμακας για εκατοντάδες ώρες, με ελάχιστη απώλεια απόδοσης.
Η έρευνα, με επικεφαλής τους Guowen Meng και Bin Chen από το Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης των Ινστιτούτων Φυσικής Επιστήμης του Hefei, δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό ACS Nano.
Σπάζοντας το «μποτιλιάρισμα» στην παραγωγή υδρογόνου
Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να διασπάσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Όταν αυτή η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές, όπως η ηλιακή ή η αιολική ενέργεια, το παραγόμενο υδρογόνο μπορεί να δημιουργηθεί χωρίς τις άμεσες εκπομπές άνθρακα που συνδέονται με τις συμβατικές μεθόδους, οι οποίες βασίζονται σε ορυκτά καύσιμα.
Η ηλεκτρόλυση νερού με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων (AEM) στοχεύει να συνδυάσει το χαμηλότερο κόστος υλικών των αλκαλικών ηλεκτρολυτών με ορισμένα από τα πλεονεκτήματα απόδοσης των συστημάτων μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων.
Ένα επίμονο εμπόδιο είναι η αντίδραση έκλυσης οξυγόνου (OER), μια πολύπλοκη διαδικασία που μεταφέρει τέσσερα ηλεκτρόνια και συνήθως εξελίσσεται πολύ πιο αργά από τον σχηματισμό υδρογόνου.
Η επιτάχυνση αυτής της αντίδρασης απαιτεί εξαιρετικά ενεργούς καταλύτες, όμως οι έντονες συνθήκες λειτουργίας μπορούν σταδιακά να τους διαλύσουν, να μεταβάλουν τη δομή τους ή να τους απενεργοποιήσουν.
Επομένως, τα εμπορικά βιώσιμα ηλεκτρόδια πρέπει να προσφέρουν υψηλή απόδοση σε συνθήκες υψηλής πυκνότητας ρεύματος, παραμένοντας παράλληλα σταθερά για μεγάλες χρονικές περιόδους.
Πέντε μέταλλα, ένα ηλεκτρόδιο: Η «συνταγή» της επιτυχίας
Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα υλικό αντιπεροβσκίτη υψηλής εντροπίας με τη χημική σύσταση (InN(NiCoFeCrV)₃), ενώνοντας το νικέλιο, το κοβάλτιο, τον σίδηρο, το χρώμιο και το βανάδιο μέσα σε μια ενιαία δομή.
Ο συνδυασμός πολλών μετάλλων μπορεί να παράγει ηλεκτρονικές και χημικές αλληλεπιδράσεις που είναι αδύνατον να επιτευχθούν σε πιο απλά υλικά, επιτρέποντας στους επιστήμονες να ρυθμίζουν με ακρίβεια την καταλυτική δραστηριότητα και την ανθεκτικότητα.
Αντί να εφαρμόσει τον καταλύτη ως ξεχωριστή επίστρωση, η επιστημονική ομάδα τον «καλλιέργησε» απευθείας πάνω σε αφρό νικελίου. Ο αφρός παρέχει ένα αγώγιμο, πορώδες πλαίσιο με μεγάλη εκτεθειμένη επιφάνεια, βοηθώντας τον ηλεκτρισμό και τον ηλεκτρολύτη να φτάσουν αποτελεσματικά στο καταλυτικό υλικό.
«Στόχος μας ήταν να αναπτύξουμε ένα ανθεκτικό και αποδοτικό ηλεκτρόδιο για την παραγωγή υδρογόνου σε μεγάλη κλίμακα», δήλωσε ο Guowen Meng.
«Αυτό το ηλεκτρόδιο έδειξε εξαιρετική απόδοση στην έκλυση οξυγόνου και μακροπρόθεσμη σταθερότητα στην ηλεκτρόλυση νερού με μεμβράνη AEM, αποδεικνύοντας τις δυνατότητές του για πρακτική παραγωγή υδρογόνου».
Μια επιφάνεια που αναγεννάται από τα «συντρίμμια» της
Σε έναν αλκαλικό ηλεκτρολύτη, το ηλεκτρόδιο απαιτούσε υπερδυναμικό μόλις 279 millivolt για να φτάσει τα 100 milliampere ανά τετραγωνικό εκατοστό.
Συνέχισε να λειτουργεί για περισσότερες από 500 ώρες, γεγονός που δείχνει ότι η δραστηριότητά του μπορεί να αντέξει την παρατεταμένη έκθεση σε απαιτητικές συνθήκες αντίδρασης. Όταν εγκαταστάθηκε σε έναν ηλεκτρολύτη AEM, το ηλεκτρόδιο απέδωσε 500 milliampere ανά τετραγωνικό εκατοστό με τάση κυψέλης 1,662 volt.
Η συσκευή παρέμεινε σταθερή για περισσότερες από 400 ώρες με ελάχιστη φθορά—ένα σημαντικό αποτέλεσμα, καθώς τα συστήματα υδρογόνου μεγάλης κλίμακας πρέπει να λειτουργούν με υψηλή απόδοση χωρίς συχνή αντικατάσταση του καταλύτη.
Η ανάλυση έδειξε ότι το ηλεκτρόδιο δεν παρέμεινε χημικά στάσιμο. Ορισμένα από τα μεταλλικά συστατικά του διαλύθηκαν σταδιακά κατά τη διάρκεια της λειτουργίας, επιτρέποντας την ανάπτυξη ενός νέου, ενεργού στρώματος στην επιφάνειά του.
Αντί να υποβαθμίσει τον καταλύτη, αυτή η αναδόμηση δημιούργησε ευνοϊκές αλληλεπιδράσεις μεταξύ της επιφάνειας και του υποκείμενου υλικού αντιπεροβσκίτη, βελτιώνοντας τη μεταφορά φορτίου και τη δραστηριότητα έκλυσης οξυγόνου.
Προς ένα πιο προσιτό και οικονομικό «πράσινο» υδρογόνο
Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η ελεγχόμενη αναδόμηση της επιφάνειας μπορεί να αντιμετωπιστεί ως σχεδιαστικό χαρακτηριστικό και όχι ως μια αναπόφευκτη μορφή καταστροφής του καταλύτη.
Σχεδιάζοντας το αρχικό υλικό με τέτοιο τρόπο ώστε να μετατρέπεται σε μια εξαιρετικά ενεργή επιφάνεια διατηρώντας παράλληλα μια σταθερή βάση, οι ερευνητές ενδέχεται να είναι σε θέση να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής του ηλεκτροδίου, χωρίς να βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε σπάνια πολύτιμα μέταλλα.
Αυτή η προσέγγιση προσφέρει μια πιθανή διαδρομή για την κατασκευή ανθεκτικών ηλεκτροδίων χαμηλότερου κόστους για την ηλεκτρόλυση νερού με μεμβράνη AEM.
Θα απαιτηθούν περαιτέρω δοκιμές σε βιομηχανικές συνθήκες, όμως ο συνδυασμός της υψηλής απόδοσης ρεύματος, της παρατεταμένης λειτουργίας και μιας αυτο-σχηματιζόμενης ενεργής επιφάνειας θα μπορούσε να υποστηρίξει μια πιο αποδοτική παραγωγή πράσινου υδρογόνου.
