Výnimočný nový katalyzátor lacno štiepi vodík z morskej vody

Výskum výroby ekologického vodíka v súčasnosti napreduje rýchlym tempom, pretože krajiny na celom svete sa snažia presadiť na trhu, ktorý sa má stať obrovským globálnym trhom s čistými palivami. Obrovský potenciál Austrálie v oblasti obnoviteľných zdrojov energie a jej hospodárstvo zamerané na vývoz jej dávajú dobré predpoklady na to, aby konkurovala vo veľkých objemoch na medzinárodnej úrovni. Austrália je však kontinentom, na ktorom prevláda púšť, a preto si je veľmi dobre vedomá nedostatku vody a nebezpečenstva, ktoré hrozí pri preprave životodarnej energie jej krajiny do zahraničia. Deväť litrov sladkej vody na kilogram vodíka nie je dobrou vizitkou pre výrobu vo veľkom meradle.

Výroba ekologického vodíka z morskej vody je však ťažšia ako z vody sladkej. Treba myslieť na koróziu, ako aj na množstvo nečistôt a mikroorganizmov. Potrebujete pobrežné lokality v blízkosti obnoviteľných zdrojov energie, čo nie je problém pre takú veľkú a relatívne prázdnu krajinu, akou je Austrália, ale určite je to faktor inde. V určitom meradle musíte myslieť na to, čo vraciate do oceánu po skončení výroby. Čo teda nevytvárate nebezpečné úrovne slanosti alebo nečerpáte vysoké koncentrácie toxického chlóru späť do morského prostredia.

Výhody sú však dosť veľké. Nielenže pri používaní morskej vody máte zásoby vody zadarmo, ale ak sa tento vodík spaľuje alebo prechádza cez palivový článok na mieste, uvoľňuje sa sladká voda, ktorá sa môže prefiltrovať cez podzemné vody a napájať vyprahnutú pevninu.

Preto v súčasnosti pracuje veľa výskumníkov na technikách elektrolýzy, ktoré z morskej vody vyrábajú ekologický vodík. Teraz vedci z austrálskej univerzity RMIT oznámili ďalší prístup s veľkým potenciálom na vysoko efektívnu a lacnú ekologickú výrobu vodíka priamo z morskej vody bez produkcie chlóru.

„Najväčšou prekážkou pri používaní morskej vody je chlór, ktorý môže vznikať ako vedľajší produkt,“ povedal Dr. Nasir Mahmood, vedúci výskumný pracovník. „Ak by sme chceli pokryť svetové potreby vodíka použitím morskej vody bez toho, aby sme najprv vyriešili tento problém, každý rok by sme vyprodukovali 240 miliónov ton chlóru ročne. To je troj až štvornásobok toho, čo svet potrebuje v chlóre. Nemá zmysel nahrádzať vodík vyrobený z fosílnych palív výrobou vodíka, ktorý by mohol poškodzovať naše životné prostredie iným spôsobom. Náš proces nielenže vynecháva oxid uhličitý, ale nemá ani žiadnu produkciu chlóru“.

Zariadenie RMIT využíva nový katalyzátor vyrobený z plátov dusíkom dopovaného fosfidu niklu a molybdénu (NiMo3P). V každej vrstve plátu sú veľké póry, no sú samozrejme veľké v nanorozmeroch, a sú určené na urýchlenie katalytickej aktivity a prenosu hmoty.

Podľa tímu plní dopovanie dusíkom niekoľko funkcií, vrátane zvýšenia vodivosti, optimalizácie elektronickej hustoty a povrchovej chémie a vytvorenia nových aktívnych miest pre katalýzu vody v plátoch. Elektronegatívne vlastnosti, ktoré vznikajú, keď sa dusík viaže na povrchové kovy, pomáhajú zabrániť nežiaducim iónom a molekulám, aby sa dotýkali povrchu katalyzátora, a prítomnosť fosforečnanových, síranových, dusičnanových a hydroxylových iónov na povrchu slúži na blokovanie chóru a zabraňuje korózii.

Experimentálne tím zistil, že tento katalyzátor vykazuje výnimočnú účinnosť a úplne potláča tvorbu chlóru.

„Pláty N-NiMo3P vykazujú výnimočné hodnoty potenciálu HER (reakcia vývinu vodíka) 23 a 35 mV pri 10 mA cm-2 v alkalických elektrolytoch a morskej vode,“ uvádza sa v štúdii. „Okrem toho na úplné štiepenie vody je potrebných len 1,52 a 1,55 V na dosiahnutie 10 mA cm-2 v alkalickom elektrolyte a morskej vode. Tieto výnimočné výsledky dokazujú, že reguláciou štruktúry a zloženia 2D materiálov možno z morskej vody vyrábať lacný vodík“.

Vedci tvrdia, že ich nové katalyzátory potrebujú na svoj chod veľmi málo energie a mohli by sa používať pri izbovej teplote. Mali by byť tiež relatívne lacné a ľahko sa vyrábať v obrovskom rozsahu.

„Aby bol vodík skutočne udržateľný,“ hovorí Mahmood, „musí byť 100 % bezuhlíkový počas celého životného cyklu výroby a nesmie znižovať svetové zásoby vzácnej sladkej vody. Naša metóda výroby vodíka priamo z morskej vody je jednoduchá, rozšíriteľná a oveľa nákladovo efektívnejšia ako akýkoľvek iný prístup k ekologickému vodíku, ktorý je v súčasnosti na trhu. Dúfame, že ďalším vývojom by sa mohlo dosiahnuť zriadenie prosperujúceho ekologického vodíkového priemyslu v Austrálii“.

Tím bude v priebehu výskumu pokračovať v rozširovaní. Ďalším krokom je vybudovanie prototypu elektrolyzérového systému, ktorý bude pracovať s hromadou týchto katalyzátorových plátov, aby bolo možné vyrábať veľké množstvá vodíka a začať optimalizovať účinnosť na úrovni systému vo veľkom meradle. Vedci veria, že táto technológia by mohla pomôcť dosiahnuť cieľ austrálskej vlády, ktorým je výroba ekologického vodíka za 2 AUD/kg (1,30 EUR/kg), čo je úroveň, pri ktorej sa stane cenovo konkurencieschopným so špinavým vodíkom vyrábaným pomocou fosílnych palív.