Veijo Hänninen
Lisää puhtia polttokennoille
Puhdas vetykaasu on yksi lupaavimmista kestävän energiantuotannon vaihtoehtoja. Sen tuottamisessa on nykyään haasteina muun muassa harvinaisten ja kalliiden materiaalien kuten platinan käyttö katalysaattorina.
Myös sähkön tuottamiseen polttokennossa tarvitaan platinaa edullisempia materiaaleja ja uudet tutkimukset luovat uusia ratkaisuja myös vetytalouden perustaksi.
Brookhaven National Laboratoryn (BNL) tutkijat ovat kehittäneet nikkeli-molybdeeni-nitridi -yhdistelmän, jonka metallit ovat sekä runsaita että edullisia.
Uudessa katalyytissä, nikkeli ottaa platinan reaktiivisen paikan ja siitä puuttuva elektronitiheys täydennettiin metallisella molybdeenillä. Edelleen suorituskykyä parannettiin typellä ja tutkijat odottivat sen modifioivan nikkeli-molybdeenin rakennetta pallomaisilla nanopartikkeleilla.
Yllättäen kuitenkin valmistuksen ammoniakkiympäristö ja typpi muokkasivat partikkeleista kaksiulotteisia arkkimaisia nanotasoja. Muodostuneet rakenteet tarjoavat helposti hyödynnettävät reaktiiviset alat.
Halvempia ja tehokkaampia katalyyttejä
Katalysaattoreiden ongelmana on, että kemiallinen reaktio tapahtuu vain materiaalin reunoissa tai virhekohdissa, kun taas suurin osa metallista on usein kallista ja epäaktiivista platinaa.
Kalifornian Berkeleyn yliopiston kemistit ovat rakentaneet katalysaattorin, joka koostuu pelkästään reunoista ja osoittivat, että se voi katalysoida vedyn tuottoa vedestä yhtä helposti kuin reunat ja vikakohdat muissa katalyyteissä.
Tällä hetkellä niiden luonti ei ole halvempaa kuin perinteisten katalyyttien mutta tutkijat pyrkivät kehittämään materiaaleja joilla on miljardeja tiheästi pakattuja reunoja, mikä sitten mahdollistaisi tuottaa kaupallisesti realistisia polttokennojen katalyyttejä.
Tutkijoiden kehittämä katalyytti koostuu platinaa edullisemmasta molybdeenistä ja rikistä (MoS2). Se katalysoi reaktioita molybdeenin ja kahden rikkiatomin muodostamalla kolmiomaisella reunaulokkeella.
Singaporelaisen Institute of Bioengineering and Nanotechnologyn (IBN) tutkijat ovat puolestaan kehittäneet tehokkaan polttokennomateriaalin.
Tutkijaryhmä kehitti kullan, kuparin ja platinan nanohiukkasia käyttäen tehokkaan ja pitkäkestoisen polttokennojen katalyyttimateriaalin.
Korvaamalla keskeisen osan katalyyttiä kullan ja kuparin seoksella ja jättäen vain uloimman kerroksen platinaksi, uusi hybridimateriaali voi tarjota viisi kertaa suuremman aktiivisuuden ja paremman vakauden kuin kaupallinen platinakatalyytti.
Elektroniaukkojen metsästystä
Vedyn tuottaminen elektrolyysillä vettä hajottamalla vaatii sähköenergiaa ja sitä taas voidaan saada auringonvalosta. Valosähkökemiallisia kennoja (PEC) pidetäänkin yhtenä kiinnostavana uusiutuvan energian lähteenä.
Lukuisien materiaaliyhdisteiden joukosta PEC-kennojen anodimateriaaliksi on valikoitumassa rautaoksidin mineraalimuoto hematiitti (ruoste), koska se on edullista, helposti saatavaa ja sillä on hyvä vakaus sekä spektrin sopivuus auringon spektrille.
Apujännitteen avulla toimivaksi saadulla hematiitillä on potentiaalia jopa 16 prosenttiseen muunnoshyötysuhteeseen, mutta se on edelleen vain noin kolmasosa mahdollisuuksesta.
Jo pitkään on arveltu, että hematiitissä muodostuu kahdenlaisia aukkoja, joilla on erilainen vaikutus veden jakamiseen. Kansainvälinen tutkijaryhmä, sveitsiläisen Empa-tutkimusinstituutin johdolla onnistui selvittämään valosähköisesti generoituneiden aukkojen luonnetta PEC-kennossa.
Selvisi, että molemmat aukot, toisin kuin aiemmin käsitettiin, tuottavat sähkövirtaa ja ehkä tämä jonain päivänä näkyy parempana hyötysuhteena.
Fotosynteeesiä matkimalla
Vedyn tuotannon kustannuksia yritetään alentaa myös fotosynteesiä matkivalla tekniikalla. Ideaa kehitellään jo monissa star-up -yrityksissä ja yhdysvaltalaisessa Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) tiedeohjelmassa.
Esimerkiksi HyperSolar -yhtiön kehittämä konseptin prototyyppi on onnistunut tuottamaan vetyä. Tekniikka perustuu polymeeripinnoitettuun hiukkaseen, joka on upotettu veteen ja valaistuna tuottaa vetyä. Hiukkasen pinnoitus mahdollistaa, että vesilähteeksi käy miltei mikä tahansa järvivedestä, jätevesiin ja meriveteen asti.
Tavanomainen veden elektrolyysi sähkön avulla edellyttää erittäin puhdasta vettä, jotta estetään komponenttien pilaantuminen. Tämä luonnollisesti lisää kustannuksia.
Jatkossa HyperSolar aikoo kehittää nanopartikkeleita siten, että niitä voidaan valmistaa suuria määriä alhaisin kustannuksin ja näin laskea vedyn tuotannon kustannuksia.
Vähemmän platinaa sähkökatalyyttiin
Kun polttokenno tuottaa sähköä vedystä se muodostaa sivutuotteena vain vettä, joten se olisi hyvin ympäristöystävällinen sähkön tuotantovaihtoehto.
Sähkön tuottaminen polttokennoilla vaatii myös platinaa sillä ne ovat toistaiseksi tehokkain sähkökatalyytti polttokennoille.
Aiheen parissa paljon ahkeroineen US Department of Energyn Brookhaven National Laboratoryn tutkijoiden aikoinaan kehittämä sähkökatalyysimenetelmä vähentää kalliin platinan käyttöä ja parantaa vaikkapa sähköautoissa käytettävien polttokennojen hyötysuhdetta.
Nyt jo kaupalliseen vaiheeseen edenneet sähkökatalyytit sisältävät vain noin kymmenesosan platinasta jota käytetään perinteisissä katalyyteissä.
Ne koostuvat nanokokoisten palladium tai palladiumseosten hiukkasten perustasta, joka on päällystetty yhden atomin paksuisella platinakuorella.
Tulevaisuudessa rautakatalyytti?
Edullisempia polttokennoja tavoitellaan nyt myös rauta-pohjaisilla synteettisillä molekyyleillä.
US Department of Energyn Pacific Northwest National Laboratoryn (PNNL) tutkijat ovat kehittäneet ensimmäisen rautapohjaisen katalyytin, joka muuntaa vetyä suoraan sähköksi.
Esimerkiksi luonnossa esiintyy hydrogenaasi, joka käyttää rautaa hajottaakseen vetyä ja siitä myös PNNL:n tutkijat ovat ottaneet inspiraation.
Erilaisin variaatioin tutkijat löysivät tehokkaimman version ja parhaimmillaan se jakoi vetyä huonelämpötilassa noin kaksi molekyyliä sekunnissa.
Lisäksi sen tuottama ylijännite oli 160 - 220 millivolttia, joten katalyytti vaikuttaisi olevan tehokkuudessaan samantasoinen kuin useimmat kaupallisesti saatavat katalyytit.
Tähän mennessä on tutkittu vasta prosessin perusaskeleet ja jatkossa on tarkoitus määrittää parhaat edellytykset tälle katalyytille.
Uutta puhtia vetytaloudelle
Öljypohjaisten energialähteiden korvaajaksi ehdotetun vetytalouden ongelmana on vedyn varastoinnin ja jakelun vaikeus.
US Department of Energyn (DOE) Brookhaven National Laboratory ja sen yhteistyökumppanien tutkijat ovat kehittäneet uuden katalysaattorin, joka käänteisesti muuntaa vetykaasua ja hiilidioksidia nestemäiseksi lievissä olosuhteissa.
Saavutus perustuu aikaisempiin toimiin yhdistää vety hiilidioksidin kanssa tuottamaan nestemäistä muurahaishappoa, jota voitaisiin jaella samanlaisella infrastruktuurilla kuin bensiiniä ja öljyä.
Uutta on että nyt reaktio toimii huoneen lämpötilassa ja vesipitoisessa liuoksessa ilmakehän paineessa ja lisäksi reaktio voi toimia eteen- tai taaksepäin riippuen liuoksen happamuudesta.
Japanilaiset kumppanit olivat jo pitempään yrittäneet kehittäneet tähän tarkoitukseen sopivaa katalyyttiä ja Brookhavenin ryhmä ryhtyi teoreettisiin tutkimuksiin ymmärtääkseen kemialliset sekvenssit, joilla nämä katalyytit muuntavat H2:n ja CO2:n muurahaishapoksi.
Kun Brookhaven joukkue ymmärsi miten japanilaisten katalyytit toimivat he havaitsivat kolmannen kumppaninsa aivan toiseen tarkoitukseen syntetisoiman ligandin olevan sopiva katalyytin lisämateriaali tavoitteen saavuttamiseksi.
Tuotettu reaktio toimi onnistuneesti ja regeneroitu suurpaineinen kaasuseos (vety ja hiilidioksidi) on melko puhdas ja ennen kaikkea se ei sisällä hiilimonoksidia (CO) joka voi pilata polttokennoja.
Vetyä pienillä piihiukkasilla
Vedyn varastoinnin ongelma voitaisiin kiertää myös tuottamalla vetyä vain tarpeen mukaan. Tämä olisi omiaan erityisesti erilaisille kannettaville sähkölaitteille.
Buffalon yliopiston tutkijoiden mukaan erittäin pieniä piihiukkasia voisi käyttää tuottamaan vetyä tarpeen mukaan.
Löytö voisi auttaa tuottamaan polttokennoilla virtaa kannettaviin laitteisiin sillä veden kanssa reagoidessaan piihiukkaset alkavat muodostaa vetyä lähes välittömästi.
Eräässä koesarjassa tutkijat loivat pallomaisia noin kymmenen nanometrin piihiukkasia. Kun ne yhdistetään veden kanssa ne reagoidessaan tuottavat myrkytöntä piihappoa ja vetyä.
Tutkimuksen mukaan reaktio ei vaadi valoa, lämpöä tai sähköä. Se tuotti vetyä noin 150 kertaa nopeammin kuin samankaltaisessa reaktiossa, jossa käytettiin 100 nanometrisiä piipartikkeleita ja 1000 kertaa nopeampi kuin peruspii.
Vaikka tarvitaan paljon energiaa ja resursseja tuottaa superpieniä piipalloja, hiukkaset voivat auttaa tuottamaan tehoa kannettaviin laitteisiin tilanteissa, joissa vettä on saatavilla ja siirrettävyys on tärkeämpää kuin alhaiset kustannukset.
Sähköistetty etana
Yhdysvaltalaisen Clarkson Universityn tutkijat ovat istuttaneet biopolttoaineisen polttokennon elävävään etanaan.
Biopolttokenno on saatu toimimaan jatkuvasti ja se tuottaa sähkötehoa varsin pitkään käyttäen etanan fysiologisesti tuottamaa glukoosia polttoaineenaan. Etana pystyi tuottamaan myös lisää kennon kuluttamaa glukoosia kun sitä ruokittiin asianmukaisesti.
Näin tämä bioteknologinen etana pystyy toimimaan luonnollisessa ympäristössään ja tuottamaan sähköä mikrotehoilla ja mahdollisesti käyttämään erilaisia bioelektronisia laitteita.
Tämän Yhdysvaltain puolustusministeriön rahoittaman tutkimuksen tavoitteena on luoda omavoimaisia hyönteiskyborgeja. Näin voitaisiin korvata esimerkiksi ympäristön tilaa mittavien hyönteiskyborgien mukanaan kantamat paristot.
Kehoon istutettavia biopolttokennoja on ehdotettu myös ihmiskehon sisäisien antureiden tai laitteiden teholähteiksi mutta ne ovat osoittautuneet hankaliksi toteuttaa.
Biokatalyyttisten elektrodien istuttaminen ja sähköenergian keruu pienestä olennosta on vieläkin vaikeampaa, eikä siinä ole ennen tätä saavutusta onnistuttukaan.
Helmikuu 2013