Η παραγωγή καθαρού υδρογόνου από νερό συχνά συγκρίνεται με την αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας σε χημική μορφή, αλλά η βελτίωση της αποτελεσματικότητας αυτής της διαδικασίας παραμένει μια επιστημονική πρόκληση. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Tohoku έχουν πλέον αναπτύξει ένα σχέδιο καταλύτη που βοηθά το υδρογόνο να σχηματίζεται πιο ομαλά υπό αλκαλικές συνθήκες, ένα βασικό βήμα προς την πρακτική παραγωγή πράσινου υδρογόνου.
Εξισορρόπηση βασικών βημάτων στην έκλυση υδρογόνου
Η παραγωγή υδρογόνου στην αλκαλική ηλεκτρόλυση νερού εξαρτάται από την αντίδραση έκλυσης υδρογόνου (HER). Στην ηλεκτρόλυση νερού με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων (AEMWE), αυτή η αντίδραση περιλαμβάνει δύο στενά συνδεδεμένα βήματα: τη διάσπαση μορίων νερού και τον σχηματισμό αερίου υδρογόνου. Εάν οποιοδήποτε βήμα επιβραδυνθεί, η συνολική απόδοση υποφέρει.
Πολλοί υπάρχοντες καταλύτες βελτιώνουν μόνο ένα από αυτά τα βήματα. Μόνο μια μερική αύξηση της απόδοσης μπορεί να έχει αρνητικό αντίκτυπο στη συνολική παραγωγή. Είναι παρόμοιο με μια γραμμή συναρμολόγησης όπου ένας εργαζόμενος κινείται πιο γρήγορα, αλλά ο επόμενος δεν μπορεί να συμβαδίσει. Για να αντιμετωπίσει αυτήν την ανισορροπία, η ερευνητική ομάδα επικεντρώθηκε στον συντονισμό και των δύο βημάτων ταυτόχρονα.
Οι ερευνητές πρότειναν μια στρατηγική βοηθητικής οδήγησης που συνδυάζει ρουθήνιο (Ru) με διοξείδιο του βαναδίου (VO₂). Περιβάλλοντας τις ενεργές θέσεις Ru με VO₂, ο καταλύτης έχει σχεδιαστεί για να βελτιστοποιεί διαδοχικά τόσο το βήμα διάσπασης του νερού (βήμα Volmer) όσο και το βήμα σχηματισμού υδρογόνου (βήμα Heyrovsky).
Στη διεπαφή μεταξύ Ru και VO₂, ο σχηματισμός συζευγμένων π-δεσμών V-O-Ru ρυθμίζει δυναμικά την ηλεκτρονική δομή των ενεργών θέσεων. Αυτό προάγει την ταχύτερη διάσπαση του νερού. Ταυτόχρονα, μια αναστρέψιμη διαδικασία διαρροής υδρογόνου βοηθά στη ρύθμιση της προσρόφησης υδρογόνου, φέρνοντας τον καταλύτη πιο κοντά στις βέλτιστες συνθήκες αντίδρασης που προβλέπονται από μικροκινητικά μοντέλα.
Κερδισμένα αποτελέσματα απόδοσης σε συσκευές και μετρήσεις
Υπό πανομοιότυπες συνθήκες δοκιμών, ο νέος καταλύτης έδειξε υψηλότερη δραστηριότητα έκλυσης υδρογόνου από τους συμβατικούς καταλύτες Ru/C και Pt/C. Πέτυχε υπερτάση 12 mV στα 10 mA cm⁻² και συχνότητα κύκλου εργασιών 12,2 s⁻¹, υποδεικνύοντας αποτελεσματική παραγωγή υδρογόνου με χαμηλή απώλεια ενέργειας.
Η ομάδα αξιολόγησε επίσης τον καταλύτη σε μια λειτουργική συσκευή AEMWE. Χρησιμοποιώντας ανάλυση κατανομής χρόνου χαλάρωσης (DRT), επιβεβαίωσαν ότι η βελτιωμένη κινητική αντίδρασης που παρατηρήθηκε σε εργαστηριακές δοκιμές μεταφράστηκε σε απόδοση σε επίπεδο συσκευής.
"Αυτή η ιδέα της βοηθητικής οδήγησης μας επιτρέπει να συντονίζουμε πολλαπλά βήματα αντίδρασης αντί να τα βελτιστοποιούμε ξεχωριστά", δήλωσε ο Yizhou Zhang, αναπληρωτής καθηγητής στο Προηγμένο Ινστιτούτο Έρευνας Υλικών του Πανεπιστημίου Tohoku. "Σχεδιάζοντας τη διεπαφή μεταξύ Ru και VO₂, μπορούμε να βελτιώσουμε τη συνολική κινητική αντίδρασης στην αλκαλική έκλυση υδρογόνου."
Επιπτώσεις για το πράσινο υδρογόνο και την πρόσβαση σε δεδομένα
Οι πιο αποτελεσματικοί και ανθεκτικοί ηλεκτρολύτες μπορούν να μειώσουν την ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή υδρογόνου και να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής του συστήματος. Η μείωση του κόστους του πράσινου υδρογόνου θα μπορούσε να υποστηρίξει την ευρύτερη χρήση του σε τομείς όπως η παραγωγή χάλυβα, η χημική βιομηχανία, η ναυτιλία και η αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν να βελτιώσουν περαιτέρω τη δομή της διεπιφάνειας και να διερευνήσουν εάν η στρατηγική βοηθητικής οδήγησης μπορεί να εφαρμοστεί σε άλλα καταλυτικά συστήματα.
www.worldenergynews.gr
