Στον αγώνα για την απαλλαγή από τον άνθρακα, το υδρογόνο έχει αναδειχθεί ως ένα πολλά υποσχόμενο καθαρό καύσιμο. Ωστόσο, παρά τις δυνατότητές του να τροφοδοτεί βιομηχανίες και μεταφορές χωρίς εκπομπές, η βιώσιμη παραγωγή υδρογόνου αντιμετωπίζει ένα σημαντικό εμπόδιο - το υψηλό κόστος και τη σπανιότητα του ιριδίου.
Μείωση της χρήσης ιριδίου
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Rice ανέπτυξαν έναν νέο καταλύτη που μειώνει τη χρήση ιριδίου σε ηλεκτρολύτες μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) κατά πάνω από 80%. Η ανακάλυψη θα μπορούσε να κάνει την παραγωγή πράσινου υδρογόνου πολύ πιο προσιτή και κλιμακώσιμη.
«Αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση της πιο προσιτής και κλιμακώσιμης χρήσης του πράσινου υδρογόνου», δήλωσε ο Haotian Wang, αναπληρωτής καθηγητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής στο Rice.
«Μειώνοντας τη χρήση ιριδίου κατά πάνω από 80%, αντιμετωπίζουμε ένα από τα μεγαλύτερα οικονομικά και εφοδιαστικά σημεία συμφόρησης στην οικονομία του υδρογόνου».
Ένας νέος καταλύτης
Οι τρέχοντες ηλεκτρολύτες PEM βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στο ιρίδιο, ένα από τα λίγα μέταλλα που μπορούν να αντέξουν το σκληρό όξινο περιβάλλον της διάσπασης του νερού. Αλλά το ιρίδιο είναι από τα πιο σπάνια στοιχεία στη Γη, με κόστος περίπου 160 δολάρια ανά γραμμάριο.
«Χωρίς μείωση της κατανάλωσης ιριδίου, η προβλεπόμενη ζήτηση από μόνους τους ηλεκτρολύτες θα μπορούσε να ξεπεράσει το 75% της ετήσιας παγκόσμιας προσφοράς», δήλωσε ο Wang. «Αυτό απλά δεν είναι βιώσιμο αν σκεφτόμαστε σοβαρά την κλιμάκωση της παραγωγής υδρογόνου».
Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, η ομάδα του Rice σχεδίασε έναν καταλύτη όπου άτομα ιριδίου είναι ενσωματωμένα μέσα σε ένα πλέγμα οξειδίου του ρουθηνίου αντί να επικαλύπτουν την επιφάνεια. Σε συνεργασία με το De Nora Tech, χρησιμοποίησαν τη θεωρία της συναρτησιακής πυκνότητας και προσομοιώσεις Monte Carlo για να προβλέψουν τη βέλτιστη ατομική διάταξη.
«Οι προσομοιώσεις μας αποκάλυψαν ότι τα άτομα ιριδίου στο υποεπιφανειακό στρώμα παίζουν κρίσιμο ρόλο», δήλωσε ο Thomas Senftle, αναπληρωτής καθηγητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής στο Rice. «Βοηθούν στην προστασία των ατόμων ρουθηνίου από πάνω τους από τη διάλυση υπό ακραίες ηλεκτροχημικές συνθήκες».
Βιομηχανικής ποιότητας απόδοση
Η ομάδα συνέθεσε ένα υλικό που ονομάζεται Ru₆IrOₓ, με αναλογία έξι προς ένα ρουθηνίου προς ιρίδιο. Διατήρησε μια πυκνότητα ρεύματος βιομηχανικού επιπέδου 2 αμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό για περισσότερες από 1.500 ώρες με ελάχιστη υποβάθμιση.
«Το κλειδί είναι η επίτευξη ομοιόμορφης κατανομής ιριδίου σε όλη τη δομή του οξειδίου του ρουθηνίου», δήλωσε ο Senftle. «Αυτή η ομοιομορφία προάγει τη σταθερότητα επειδή το ιρίδιο βοηθά στη σταθεροποίηση των γειτονικών ατόμων ρουθηνίου στο πλέγμα οξειδίου».
Οι βιομηχανικές δοκιμές από την De Nora Tech επιβεβαίωσαν την απόδοση του καταλύτη. Σε έναν ηλεκτρολύτη PEM 25 τετραγωνικών εκατοστών, ο καταλύτης που σχεδιάστηκε από την Rice αντιστοιχούσε στη δραστηριότητα των συστημάτων καθαρού ιριδίου, χρησιμοποιώντας ένα κλάσμα του μετάλλου.
«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι δεν χρειαζόμαστε καταλύτες πλούσιους σε ιρίδιο για να επιτύχουμε ανθεκτικότητα», δήλωσε ο Wang. «Αυτό ανοίγει την πόρτα στη μαζική παραγωγή οικονομικά αποδοτικών, υψηλής απόδοσης ηλεκτρολυτών PEM».
Οικονομικός και επιστημονικός αντίκτυπος
Μια οικονομική ανάλυση διαπίστωσε ότι η αντικατάσταση του τυπικού οξειδίου του ιριδίου με Ru₆IrOₓ θα μπορούσε να μειώσει το κόστος του καταλύτη ανόδου κατά πάνω από 80%. Ο σχεδιασμός μειώνει επίσης την έκθεση στις διακυμάνσεις των τιμών του ιριδίου.
Πέρα από το κόστος, η μελέτη προσφέρει ένα νέο παράδειγμα στη μηχανική καταλυτών, σταθεροποιώντας τα υλικά από μέσα αντί να τα επικαλύπτουν για προστασία.
«Αυτή η εργασία υπογραμμίζει πώς η θεωρία και το πείραμα μπορούν να λειτουργήσουν χέρι-χέρι», δήλωσε ο Senftle. «Συνδυάζοντας προσομοιώσεις ατομικής κλίμακας με αυστηρές πειραματικές δοκιμές, καταφέραμε να εντοπίσουμε πώς μια μικρή ποσότητα ιριδίου μπορεί να σταθεροποιήσει ολόκληρο το πλέγμα οξειδίων».
www.worldenergynews.gr
