Költséghatékonyabb hidrogéntermelés: egy innovatív katalizátor forradalmasíthatja az iparág legnagyobb kihívását
Dél-koreai kutatók innovatív lépést tettek a tudományos fejlődés terén, amikor bemutattak egy új, szabályozható katalizátort. Ez az újdonság nemcsak a költségek minimalizálására képes, hanem jelentősen fokozza az elektrokémiai vízbontás hatékonyságát is.
A világ egyre sürgetőbb igénye a tiszta és megújuló energiaforrásokra fokozott figyelmet fordít a hidrogénre, amely karbonsemleges módon képes tárolni több energiát, mint a hagyományos benzin. Az egyik legígéretesebb technika a hidrogén előállítására az elektrokémiai vízbontás, amely során a vizet elektromos energiával bontják hidrogénre és oxigénre. Ez a fenntartható megoldás, különösen ha megújuló energiaforrásokkal kombinálják, jelentős mértékben hozzájárulhat az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentéséhez, így elősegítve a környezetbarát energiaátmenetet.
A hidrogén nagyszabású előállítása jelenleg komoly kihívásokkal néz szembe, mivel a folyamat során szükséges katalizátorok gyakran tartalmaznak drága, ritkaföldfémeket. Ennek következtében a kutatók az olcsóbb alternatívák után kutatnak, így például különböző átmenetifémekből és azok vegyületeiből készült elektrokatalizátorok iránti érdeklődés nőtt. Az átmenetifém-foszfidok (TMP-k) ígéretes teljesítményt mutathatnak a hidrogénfejlesztési reakció (HER) során, azonban az oxigénfejlődési reakció (OER) terén gyenge eredményeket produkálnak, ami összességében csökkenti a folyamat hatékonyságát. Korábbi kutatások arra utalnak, hogy az OER teljesítménye javítható, de eddig a választott anyagok szintjén számos nehézségbe ütköztek a megvalósítás során.
"Sikerült előállítanunk kobalt-foszfid alapú nanoanyagokat, amelyekbe fém-organikus vázszerkezetek (MOF-ok) segítségével szabályozott módon adagoltuk a bórt és a foszfort. Ezek az anyagok jobb teljesítményt nyújtanak és olcsóbbak a hagyományos elektrokatalizátoroknál, így alkalmasak lehetnek a hidrogén nagyüzemi előállítására is" - magyarázta Seunghyun Lee professzor, a dél-koreai Hanyang Egyetem kutatócsoportjának vezetője.
A MOF-ok (fém-organikus vázak) kiváló alapot biztosítanak olyan nanoanyagok tervezéséhez és előállításához, amelyek optimális összetétellel és szerkezettel rendelkeznek. A kutatók három különböző megközelítést alkalmaztak a katalizátorok előállítására, mindhárom esetben nagy felületű és mezopórusos szerkezetet kaptak, ami elengedhetetlen az elektrokatalitikus aktivitás szempontjából. Az összes minta kiemelkedő teljesítményt nyújtott a hidrogén fejlődés (HER) és az oxigén fejlődés (OER) terén, a legjobb eredményeket pedig a nátrium-hipofoszfittal készült változat produkálta, amely a hipofoszforossav nátriumsója.
A kutatók egy innovatív anyagot használtak fel egy elektrolizáló cella kifejlesztéséhez, amely kiemelkedő teljesítményt nyújtott, különösen 50 milliamper per négyzetcentiméter feletti áramerősségnél. Ez a teljesítmény meghaladta a jelenleg legmodernebb elektrolizálókét, ráadásul a készülék több mint száz órán át megőrizte hatékonyságát.
A sűrűségfunkcionál-elméleti számítások megerősítették a koreai kutatók felfedezéseit, és rávilágítottak arra, hogy a bór hozzáadása, valamint az ideális foszfortartalom optimalizálása jelentős kölcsönhatásokat generál, amelyek kiemelkedő elektrokatalitikus teljesítményt nyújtanak.
Lee professzor szerint az eredmények "útmutatást adnak a következő generációs, nagy hatékonyságú katalizátorok tervezéséhez és előállításához, amelyek jelentősen csökkenthetik a hidrogén előállításának költségeit. Ez fontos lépés afelé, hogy a zöld hidrogén nagyüzemi termelése valósággá váljon, és ezzel hozzájáruljunk a globális szén-dioxid-kibocsátás csökkentéséhez, illetve a klímaváltozás mérsékléséhez."
