Veijo Hänninen
Vetyä, ammoniakkia, sähköä ja kasvihuonekaasua
Vetykaasua itsessään on vaikea kuljettaa tehokkaasti ilman paineistusta tai nesteytystä. Yksi vaihtoehto on varastoida vetyä kemiallisesti nestemäisiin tai helposti nesteytettäviin yhdisteisiin ja vapauttaa se sitten sinne ja milloin sitä tarvitaan.
Äskettäin sivuillamme uutisoitiin, että myös rautajauhetta on ajateltu käyttää uusiutuvalla sähköllä tuotetun vedyn kantajana ja varastoinnissa.
Ammoniakin käyttö vedyn kantajana on kuitenkin enemmän tutkittu vaihtoehto.
Vedyn talteenotto ammoniakista on kuitenkin haasteellinen ratkaisuvaihtoehto. Ammoniakki on erittäin myrkyllistä ja tarvittava krakkausprosessi vaatii yli 500 celsiusasteen lämpötiloja ja silti hyötysuhde jää heikoksi.
Vetyä käytetään laajalti puolijohteiden valmistuksessa ja kemiallisessa prosessoinnissa, ja se on myös energiankantaja polttokennoissa, jotka käyttävät vetyä ja happea sähkön tuottamiseen ilman palamista. Sen käytön laajentaminen edellyttää kuitenkin käytännöllisiä tapoja varastoida ja jaella sitä.
Otetaan avuksi sähkö
Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) tutkijatiimi on nyt osoittanut tehokkaamman tavan erottaa puhdasta vetykaasua vedynkantajamolekyyleistä.
MIT:n tutkijat ovat nyt kehittäneet sähkökemiallisen lähestymistavan vedyn erottelun edistämiseksi ammoniakista samalla ja väkevöidään samalla erittäin puhtaaksi vetyvirraksi. Heidän strategiansa, jossa sähköä käytetään uuton nopeuttamiseen, alentaa vedyn talteenottoon ammoniakista ja muista vedynkantajista tarvittavaa lämpötilaa ja energiaa.
Uudessa tutkimuksessa tutkijat osoittivat, että heidän lähestymistapansa voi tuottaa erittäin väkeviä, puhtaita vetyvirtoja.
”Olemme osoittaneet kyvyn käyttää sähkökemiaa termodynaamisesti nousujohteisten ja kineettisesti vaikeiden dehydrausreaktioiden ajamiseen”, sanoo professori Yogesh Surendranath. ”Tässä tapauksessa tutkimme ammoniakin ja nestemäisen orgaanisen molekyylin konversiota, koska ne ovat tärkeitä mahdollisina vedynkantajina vetytaloudessa.
Tutkijoiden uuden suunnittelun keskeinen elementti on palladiumpohjaisen erotuskalvon kytkeminen vetyä tuottavaan elektrodiin sulan hydroksidielektrolyytin kautta. Erotuskalvo kuljettaa vetyä selektiivisesti estäen samalla reaktioseoksen muiden komponenttien läpikulkeutumisen.
Uudessa laitteistossa ammoniakki dehydrataan ensin ruteniumia ja cesiumia sisältävällä katalyytillä. Vety saavuttaa sitten erotuskalvon, jonka vastakkainen puoli on kosketuksissa sulan hydroksidielektrolyytin kanssa.
Protoneita ja elektroneja
Kalvon poikki kulkeva sähkökemiallinen gradientti luo tehokkaasti "tyhjiön" vedylle, mikä tarjoaa voimakkaan liikkeellepanevan voiman sen kulkeutumiselle kalvon läpi. Se myös muuntaa vedyn protoneiksi ja elektroneiksi, jotka kulkevat erikseen sulan elektrolyytin ja ulkoisen piirin läpi ennen kuin ne yhdistyvät uudelleen toisella elektrodilla muodostaen vetykaasua.
Koska kalvo kuljettaa vetyä selektiivisesti, järjestelmä tuottaa väkevöityä vetykaasuvirtaa ilman erillistä jälkipuhdistusprosessia.
"Tämän sähkökemiallisen prosessin avulla pystymme pumppaamaan vetyä aktiivisesti matalasta pitoisuudesta korkeaan pitoisuuteen", Surendranath sanoo.
Aikaansaatu prosessi voidaan ajaa noin 200 tai 300 celsiusasteen lämpötiloissa. Toinen etu on, että se luo puhtaan vetyvirran, jota ei tarvitse puhdistaa myöhemmin – vaihe, joka vaatii lisäenergiaa.
Brittiläisen Kolumbian yliopiston kemian ja kemiallisen ja biotekniikan professori Curtis Berlinguette, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, kuvaili menetelmää "tehokkaaksi uudeksi tavaksi" ratkaista puhtaan vetyvirran saamisen ongelma ammoniakista ja muista vedynkantajista.
Innovatiivinen prosessi tehostaa puhtaan vedyn tuotantoa
Stanfordin tutkijat ovat puolestaan kehittäneet uuden, erittäin tehokkaan tavan valmistaa vetyä, joka vähentää merkittävästi hiilidioksidipäästöjä ja tuottaa odottamattoman ja mahdollisesti arvokkaan sivutuotteen.
Science- lehdessä julkaistussa uudessa tutkimuksessa kuvattu menetelmä käyttää metaanipyrolyysiksi kutsuttua prosessia, jossa metaani hajoaa vetykaasuksi ja kiinteäksi hiileksi perinteisen vedyntuotannon vapauttaman kaasumaisen hiilidioksidin sijaan.
”Nykyään käytämme maakaasua ja tuotamme siitä vetyä, mutta samalla tuotamme hiilidioksidia”, sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja, Henry Moise, Stanfordin yliopiston kemiantekniikan laitoksen tutkija. ”Pyrolyysi on samanlainen prosessi, mutta hiilidioksidin sijaan tuotetaan kiinteää hiiltä.”
Metaanin pyrolyysiä on tutkittu vuosia, mutta tutkijoilla on ollut vaikeuksia siirtää sitä laboratorion ulkopuolelle kahden merkittävän esteen vuoksi: kiinteän hiilen poistaminen reaktorista ja riittävän lämmön saaminen reaktoriin prosessin suorittamiseksi. Moisen ja saksalaisen vierailevan opiskelijan Sebastian Mollin yhdessä kirjoittama uusi artikkeli keskittyy jälkimmäisen haasteen ratkaisemiseen.
”Jos pyrolyysiä halutaan tehdä vetymarkkinoiden tyydyttämiseksi tarvittavassa mittakaavassa, on luotava erittäin suuria reaktoreita”, sanoo vanhempi kirjoittaja Matteo Cargnello. ”Jotta nämä reaktorit voidaan lämmittää erittäin korkeisiin lämpötiloihin, kuten 1 000 celsiusasteeseen, lämmitysmenetelmien on oltava erittäin tehokkaita.”
Otetaan vety lämmityspolttoaineeksi
Nykypäivän teollisuusreaktoreita lämmitetään ulkopuolelta, mikä on ongelma mittakaavassa. ”Voit kuvitella, että kun lämmität jotain todella suurta ulkopuolelta, lämmön on vaikea tunkeutua aina reaktorin keskelle asti”, Cargnello sanoi.
Ongelman ratkaisemiseksi Moise ja hänen kollegansa kehittivät tavan lämmittää reaktoria sisältäpäin. Sen sijaan, että poltettaisiin maakaasua, joka tuottaa hiilidioksidia, tiimi havaitsi, että polttimen sijoittaminen reaktorin sisään polttamaan valikoivasti osa vedystä lämmön tuottamiseksi mutta se saa aikaan enimmäkseen vettä, mikä välttää suorat hiilidioksidipäästöt ja samalla edistää reaktiota tehokkaasti.
Henry Moisen mukaan hyöty on noin kymmenkertainen hyötysuhteen kasvu.
Tehokkuuden parantumisen lisäksi tutkijat löysivät uudesta prosessista odottamattoman hyödyn: reaktion tuottama kiinteä hiili osoittautui korkealaatuiseksi grafiitiksi, materiaaliksi, jota käytetään akuissa, elektrodeissa ja muissa teknologioissa.
Todella vahva kasvihuonekaasu kuriin
Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) puolestaan kertoo, että kemian ja biomolekyylitekniikan laitoksen professori Minkee Choin johtama tutkimusryhmä on yhteistyössä Samsung Electronicsin tutkijoiden kanssa kehittänyt uuden katalyytin, joka pystyy poistamaan CF₄:tä, kasvihuonekaasua, jota käytetään esimerkiksi hienojen puolijohdepiirien valmistuksessa.
CF₄:tä käytetään prosesseissa, kuten kuivaetsauksessa, jossa puolijohdekiekosta poistetaan valikoivasti ei-toivottuja osia hienojen piirikuvioiden luomiseksi. Ongelmana on käytön jälkeen jäljelle jäävä CF₄. Koska sen hiili- ja fluoriatomit ovat erittäin tiukasti sidoksissa toisiinsa, kaasu ei hajoa helposti, ja ilmakehään päästyään se voi säilyä noin 50 000 vuotta. Sen vaikutus ilmaston lämpenemiseen on myös yli 6 000 kertaa suurempi kuin hiilidioksidin.
Jotta CF₄:tä ei vapautuisi sellaisenaan, puolijohdetehtaat hajottavat sitä tällä hetkellä korkeissa lämpötiloissa höyryn ja katalyytin avulla.
Perinteisten katalyyttien suorituskyky on kuitenkin heikentynyt käytön myötä. Tämä johtuu siitä, että CF₄:n hajoamisessa syntyvä vetyfluoridi (HF) yhtyy kosteuteen ja luo erittäin syövyttävän ympäristön, mikä aiheuttaa katalyytin hienojen hiukkasten aggregoitumisen tai rakenteen muuttumisen suorituskykyä heikentävästi.
Entropia avuksi
Tutkimusryhmä ratkaisi tämän ongelman paradoksaalisesti valjastamalla "epäjärjestyksen voiman".
Useiden atomityyppien sekoittaminen luo monimutkaisen, epäjärjestyneen rakenteen, joka vastustaa faasimuutoksia ja pysyy vakaana. Tätä prosessia kutsutaan entropian stabiloitumiseksi. Yksinkertaisesti sanottuna se on periaate, jossa useiden atomityyppien tasainen sekoittaminen vaikeuttaa katalyytin kasautumista yhteen tai muuttumista toiseksi rakenteeksi.
Tätä periaatetta käyttäen tutkimusryhmä yhdisti tasaisesti useita metalleja – alumiinia (Al), sinkkiä (Zn), galliumia (Ga), nikkeliä (Ni) ja kobolttia (Co) – yhdeksi aluminaattikiderakenteeksi.
Tutkimuksen tulokset osoittivat, että katalyytti pystyy poistamaan CF₄:tä erittäin tehokkaasti ja säilyttämään suorituskykynsä pitkiä aikoja.
Teknisesti katalyytti käyttää ensin oman rakenteensa happea CF₄:n hajottamiseen ja että reaktio jatkuu ympäröivän höyryn täydentäessä ehtynyttä happea. Katalyytti toimii käytännössä eräänlaisena "hapen täyttöjärjestelmänä", jossa höyry palauttaa katalyytin käyttämän hapen. Tällä tavoin tutkimusryhmä antoi maailman ensimmäisen kokeellisen vahvistuksen CF₄:n hajoamisprosessille, jota oli aiemmin ehdotettu vain teoriassa.
Syyskuu 2026