Ερευνητές από το Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ανέπτυξαν έναν καταλύτη με βάση το ρουθήνιο, ο οποίος επιτυγχάνει υψηλή απόδοση στην παραγωγή υδρογόνου, εμφανίζει τετραπλάσια καταλυτική δραστηριότητα ανά μονάδα μάζας και παρουσιάζει αυξημένη ανθεκτικότητα σε δοκιμές συνεχούς λειτουργίας διάρκειας 500 ωρών
Σχετικά Άρθρα
Νερό σε καύσιμο: Το νέο νανοϋλικό που θα μπορούσε να αναβαθμίσει το πράσινο υδρογόνο (Phys.org)
Μια νέα προσέγγιση στην παραγωγή πράσινου υδρογόνου θα μπορούσε να συμβάλει στη μείωση του κόστους της τεχνολογίας ηλεκτρόλυσης του νερού, περιορίζοντας σημαντικά την ανάγκη για ακριβά πολύτιμα μέταλλα. Ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Jinwoo Lee, από το Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) της Νότιας Κορέας, ανέπτυξε έναν καταλύτη που βασίζεται σε μια ιδιαίτερη αρχιτεκτονική ατόμων ρουθηνίου, επιτυγχάνοντας απόδοση αντίστοιχη με εκείνη εμπορικών καταλυτών πλατίνας, με χρήση κατά 75% μικρότερης ποσότητας πολύτιμου μετάλλου. Σύμφωνα με δημοσίευμα του Interesting Engineering, η μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications και αναδεικνύει μια πιθανή οδό για οικονομικότερη παραγωγή καθαρού υδρογόνου.
Μια νέα αρχιτεκτονική καταλύτη με βάση το ρουθήνιο
Η ηλεκτρόλυση του νερού αποτελεί μία από τις βασικές τεχνολογίες παραγωγής πράσινου υδρογόνου, καθώς χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να διασπάσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Όταν η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές, η διαδικασία μπορεί να επιτρέψει την παραγωγή υδρογόνου με χαμηλές εκπομπές άνθρακα. Ωστόσο, η εξάρτηση από ακριβά μέταλλα, όπως η πλατίνα, εξακολουθεί να αποτελεί σημαντικό εμπόδιο για την ευρύτερη εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας.
Η ερευνητική ομάδα του KAIST αντιμετώπισε αυτή την πρόκληση αναπτύσσοντας μια δομή που ονομάζεται «atom-layer neighbor», δηλαδή μια αρχιτεκτονική γειτονικών ατόμων σε ατομικό στρώμα. Σε αυτήν, μικρές ομάδες τριών ή τεσσάρων ατόμων ρουθηνίου οργανώνονται σε ένα στρώμα πάχους ενός ατόμου, το οποίο στηρίζεται σε καρβίδιο του βολφραμίου.
Η συγκεκριμένη διάταξη επιχειρεί να συνδυάσει τα πλεονεκτήματα δύο διαφορετικών σχεδιαστικών προσεγγίσεων. Στους συμβατικούς καταλύτες, τα πολύτιμα μέταλλα σχηματίζουν μεγαλύτερα τρισδιάστατα συσσωματώματα, με αποτέλεσμα μεγάλο μέρος των ατόμων να παραμένει στο εσωτερικό τους, χωρίς να συμμετέχει άμεσα στην αντίδραση. Αντίθετα, στους καταλύτες με μεμονωμένα άτομα, κάθε άτομο είναι εκτεθειμένο, αλλά δεν διαθέτει πάντα τους γειτονικούς ενεργούς τόπους που απαιτούνται για να συνεργαστούν στις επιμέρους χημικές διεργασίες.
Η νέα αρχιτεκτονική επιτρέπει στα άτομα ρουθηνίου να παραμένουν εκτεθειμένα στην επιφάνεια, διατηρώντας παράλληλα την απαραίτητη γειτνίαση για τη συνεργατική δράση τους. Έτσι, αξιοποιείται αποτελεσματικότερα το διαθέσιμο μέταλλο και ενισχύεται η καταλυτική δραστηριότητα.
Παράλληλα, οι ερευνητές τροποποίησαν το χημικό περιβάλλον γύρω από τις ενεργές θέσεις, εισάγοντας υδροξυλομάδες στην επιφάνεια του υποστηρικτικού υλικού. Οι ομάδες αυτές ενισχύουν το δίκτυο δεσμών υδρογόνου στο περιβάλλον νερό και διευκολύνουν τη μεταφορά πρωτονίων προς τα ενεργά σημεία της αντίδρασης. Ο συνδυασμός της κατάλληλης ατομικής δομής και της ρύθμισης του τοπικού περιβάλλοντος συμβάλλει στη μείωση των εμποδίων για την παραγωγή υδρογόνου.
Υψηλή απόδοση και αυξημένη ανθεκτικότητα στις δοκιμές
Ο νέος καταλύτης δοκιμάστηκε σε κυψέλη ηλεκτρόλυσης νερού με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων (anion-exchange membrane water electrolyzer), σε θερμοκρασία 80°C και τάση 2,0 V. Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, πέτυχε πυκνότητα ρεύματος 9,82 A/cm², τιμή που υποδεικνύει υψηλό ρυθμό ηλεκτροχημικής αντίδρασης και παραγωγής υδρογόνου υπό τις συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας.
Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης, ο καταλύτης χρησιμοποίησε μόλις το 25% της ποσότητας πολύτιμου μετάλλου σε σύγκριση με τη βασική συμβατική προσέγγιση, διατηρώντας παράλληλα απόδοση παραγωγής υδρογόνου αντίστοιχη με εκείνη εμπορικών καταλυτών πλατίνας. Επιπλέον, εμφάνισε τετραπλάσια καταλυτική δραστηριότητα ανά μονάδα μάζας, στοιχείο που υποδηλώνει αποτελεσματικότερη αξιοποίηση του μετάλλου.
Εξίσου σημαντική ήταν η συμπεριφορά του σε δοκιμή συνεχούς λειτουργίας διάρκειας 500 ωρών. Ο καταλύτης παρουσίασε μείωση της υποβάθμισης της απόδοσης κατά 50% σε σύγκριση με το μέτρο αναφοράς που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη, γεγονός που υποδηλώνει βελτιωμένη ανθεκτικότητα και πιθανότητα περιορισμού των αναγκών συντήρησης.
Η μείωση της κατανάλωσης πολύτιμου μετάλλου, σε συνδυασμό με τη διατήρηση υψηλής δραστηριότητας και τη βελτιωμένη σταθερότητα, θα μπορούσε να συμβάλει στον περιορισμό του κόστους των συστημάτων ηλεκτρόλυσης. Ωστόσο, για να αξιολογηθεί η πραγματική εμπορική προοπτική της τεχνολογίας, απαιτούνται μεγαλύτερης κλίμακας δοκιμές, ιδίως υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας που προκαλούνται από τις διακυμάνσεις της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές.
Τα ευρήματα προσφέρουν μια νέα κατεύθυνση στον σχεδιασμό καταλυτών για την παραγωγή πράσινου υδρογόνου, με στόχο την καλύτερη αξιοποίηση των πολύτιμων μετάλλων και τη δημιουργία αποδοτικότερων και ανθεκτικότερων συστημάτων. Η μελλοντική εφαρμογή της τεχνολογίας θα εξαρτηθεί από την επιβεβαίωση των επιδόσεών της σε μεγαλύτερη κλίμακα και από την αξιολόγηση του συνολικού κόστους λειτουργίας της.
www.worldenergynews.gr
