Νέοι υποσχόμενοι καταλύτες για κυψέλες καυσίμου υδρογόνου

Νέοι υποσχόμενοι καταλύτες για κυψέλες καυσίμου υδρογόνου

Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου υπόσχονται πολλά ως βιώσιμες και φιλικές προς το περιβάλλον πηγές ενέργειας για την παροχή ισχύος στην ξηρά, στον αέρα και τη θάλασσα. Ωστόσο, οι παραδοσιακοί καταλύτες που χρησιμοποιούνται για την ενεργοποίηση των χημικών αντιδράσεων στις κυψέλες καυσίμου υδρογόνου είναι πολύ δαπανηροί και αναποτελεσματικοί για να δικαιολογήσουν μια μεγάλης κλίμακας εμπορική στροφή από τις υπάρχουσες τεχνολογίες.

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Σε έρευνα που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό ACS Catalysis, ερευνητές από το Northeastern University εντόπισαν μια νέα κατηγορία καταλυτών που απαρτίζονται από μη ευγενή μέταλλα και θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν το πρότυπο με βάση τον λευκόχρυσο που εμποδίζει τις κυψέλες καυσίμου να περάσουν στο στάδιο της ευρείας εμπορικής εφαρμογής.

«Μεταβαίνουμε γρήγορα σε ηλεκτρικούς τρόπους μετακίνησης και, όπως το βλέπω, οι μπαταρίες είναι μόνο μια μεταβατική φάση», λέει ο Sanjeev Mukerjee, Καθηγητής χημείας και χημικής βιολογίας στο Northeastern University, ο οποίος είναι ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. «Οι μπαταρίες δεν είναι η τελική απάντηση στην αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων».

Η απάντηση βρίσκεται στο υδρογόνο, ή στους «φορείς υδρογόνου», μεγαλύτερα μόρια στα οποία το υδρογόνο είναι μόνο ένα μέρος, λέει. Το περισσότερο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν, το υδρογόνο, δρα ως φορέας ενέργειας και μπορεί να διαχωριστεί από το νερό, τα ορυκτά καύσιμα ή τη βιομάζα και να αξιοποιηθεί ως καύσιμο. Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου μετατρέπουν το υδρογόνο σε ηλεκτρική ενέργεια. και σε αντίθεση με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης που παράγουν τοξικά και καρκινογόνα χημικά υποπροϊόντα, οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου παράγουν μόνο νερό - και μάλιστα, πόσιμο νερό - ως αποτέλεσμα της χημικής αντίδρασης.

«Το μεγαλύτερο εμπόδιο αυτή τη στιγμή είναι, αφενός η υποδομή για το καύσιμο, π.χ. το υδρογόνο ή τον φορέα υδρογόνου και αφετέρου το υψηλό κόστος των καταλυτών, επειδή η κυρίαρχη μέθοδος επί του παρόντος απαιτεί ευγενή μέταλλα», λέει ο Mukerjee. «Έτσι, υπάρχουν προσπάθειες σε διπλή κατεύθυνση, τόσο για τη μείωση της χρήσης των ευγενών μετάλλων όσο και για την ανεύρεση πιο βιώσιμων καταλυτών, χρησιμοποιώντας στοιχεία που είναι πολύ άφθονα στη γη».

Οι καταλύτες χρησιμοποιούνται σε κυψέλες καυσίμου υδρογόνου για να επιταχύνουν τη διαδικασία μετατροπής ενέργειας, κάτι που ονομάζεται αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου. Ένας βιώσιμος καταλύτης είναι αυτός που αποτελείται από στοιχεία τα οποία απαντώνται σε αφθονία και αυτός που, όταν εισάγεται οξυγόνο στη χημική αντίδραση, δεν παράγει άνθρακα, λέει ο Arun Bansil, Καθηγητής φυσικής στο Northeastern University και συν-συγγραφέας της μελέτης.

Όπως αναφέρεται, οι ερευνητές του Northeastern εξέτασαν μια συγκεκριμένη κατηγορία καταλυτών, ως εναλλακτική λύση στον λευκόχρυσο, που περιέχουν σύμπλοκα σιδήρου-αζώτου (nitrogen-coordinated iron catalysts), ως δυνητικά βιώσιμους υποψηφίους. Ένας τέτοιος καταλύτης, σε μοριακό επίπεδο, περιλαμβάνει ένα άτομο σιδήρου που περιβάλλεται από τέσσερα άτομα αζώτου. Τα άτομα αζώτου συνδέονται με ένα κεντρικό άτομο μετάλλου για να σχηματίσουν ένα μεγαλύτερο σύμπλοκο.

«Αυτή είναι μια πολύ γνωστή δομή», λέει ο Bansil. «Αυτό που αποδείξαμε μέσω της έρευνας μας είναι ότι προσθέτοντας έναν πέμπτο άτομο - δηλαδή τέσσερα άζωτα συν ένα άλλο - μπορούμε να φτιάξουμε έναν πολύ πιο σταθερό και ισχυρό ηλεκτροκαταλύτη, καθιερώνοντας έτσι μία νέα αρχιτεκτονική για τον ορθολογικό σχεδιασμό αυτής της κατηγορίας καταλυτών για εφαρμογές σε κυψέλες καυσίμου».

Ο Bansil λέει ότι ο πέμπτος συνδέτης βελτιώνει επίσης την ανθεκτικότητα του καταλύτη. Ο λόγος, λέει, είναι «πιθανόν ότι αυτό το πέμπτο άτομο αζώτου να καταφέρνει να διατηρήσει τον σίδηρο στο επίπεδο του συμπλόκου σιδήρου-αζώτου όταν προστίθεται οξυγόνο σε αυτή τη δομή». Εάν δεν υπάρχει ο πέμπτος συνδέτης, λέει ο Bansil, ο σίδηρος αποσπάται από το σύμπλοκο σιδήρου-αζώτου σε πολλά από αυτά τα σύμπλοκα όταν εισάγεται οξυγόνο, με αποτέλεσμα ο καταλύτης να καθίσταται λιγότερο ανθεκτικός.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φασματοσκοπία εκπομπής ακτίνων Χ και φασματοσκοπία Mössbauer, τεχνικές που χρησιμοποιούνται στην υπολογιστική χημεία, για την παρατήρηση αυτών των φαινομένων. «Δεν αρκεί απλώς να γνωρίζουμε ότι κάτι φαίνεται να λειτουργεί καλύτερα, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε γιατί λειτουργεί καλύτερα», λέει. «Επειδή τότε είμαστε σε θέση να αναπτύξουμε βελτιωμένα υλικά μέσω μιας ορθολογικής διαδικασίας σχεδιασμού».

Στην έρευνα συμμετείχαν επίσης ο Qingying Jia από το Northeastern University και ο Bernardo Barbiellini, ένας ακαδημαϊκός υπολογιστικής και θεωρητικής φυσικής στο Lappeenranta University of Technology. Η πρόοδος στον τομέα των καταλυτών που προέκυψε από την έρευνα δίνει και αρκετές «πρωτιές» στον τομέα, λέει ο Mukerjee. «Η υπολογιστική προσέγγιση μας βοήθησε να αναγνωρίσουμε τις θέσεις κατάλυσης καθώς εξελίσσονται κατά την προετοιμασία και βοήθησε επίσης να δώσουμε μια εικόνα για το ποιοι από αυτούς τους καταλύτες είναι πιο σταθεροί», λέει.

Πηγή: Phys.org

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR
Image

Έγκυρη ενημέρωση για την αξιακή αλυσίδα των raw materials

NEWSLETTER