Veijo Hänninen

Vetytekniikoiden katsaus

Vedyn tuotanto on nykyään suuren kiinnostuksen kohteena joten siihen liittyviä tekniikoita kehitetään vauhdilla.

Veden elektrolyysi on varsin ympäristöystävällinen tekniikka, joka tuottaa vetyä jakamalla vettä sähkön avulla. Erityisesti alkalinen elektrolyysi sopii erinomaisesti laajamittaiseen vedyn tuotantoon suhteellisen alhaisten asennus- ja laitekustannustensa ansiosta.

Menetelmän tuotantonopeus on kuitenkin edelleen vaihtoehtoisia tekniikoita alhaisempi, koska veden hajottamiskinetiikka emäksisissä olosuhteissa on yli 100 kertaa hitaampaa kuin happamissa ympäristöissä.

Vaikka jalometallikatalyytit, kuten platina ja rutenium, tehostavat reaktionopeuksia merkittävästi, niiden korkeat hinnat muodostavat merkittävän pullonkaulan massatuotannolle. Niille etsitäänkin vaihtoehtoja epäjaloista metalleista.

Edullisempaa vedyntuotantoa

Korean energiatutkimuslaitoksen (KIER) vetyenergiatutkimusosaston tohtorien Kyung-Soo Kangin ja Hyun-Jun Leen johtama tutkimusryhmä on kehittänyt uudenlaisia Ni/Co-pohjaisia heterorakenteisia vesielektrolyysielektrodeja, jotka tarjoavat erinomaisen vedyn tuotantotehokkuuden perinteisiin jalometallielektrodeihin verrattuna.

Kehitetyt elektrodit ovat saavuttaneet 99 %:n materiaalikustannusten vähennyksen jalometallielektrodeihin verrattuna, mikä osaltaan alentaa vedyn tuotantokustannuksia merkittävästi.

Tohtori Kyung-Soo Kang, toteaa: "Tämä tutkimus osoittaa, että epäjaloista metalleista valmistetut elektrodit voivat saavuttaa maailmanluokan suorituskyvyn ja kestävyyden emäksisessä vesielektrolyysissä.

Projektin toinen johtaja, tohtori Hyun-Jun Lee, korosti lisäksi: "Olemme onnistuneesti varmentaneet tämän teknologian skaalaamisen toteutettavuuden valmistamalla suurikokoisia, halkaisijaltaan 40 cm:n elektrodeja, ja parhaillaan optimoimme prosessia kaupallista massatuotantoa varten. Jatkossa tutkimuksemme keskittyy elektrodipinta-alan laajentamiseen 5 000 cm²:iin megawattimittakaavan alkalielektrolyysijärjestelmiä varten."

Puhtia keraamiseen vetykennoon

Protoniset keraamiset sähkökemialliset kennot (PCEC) ovat seuraavan sukupolven ympäristöystävällisiä energialaitteita, jotka pystyvät toimimaan sekä sähköä tuottavina polttokennoina että elektrolyysereina, jotka käyttävät sähköä veden hajottamiseen ja vedyn tuottamiseen.

Sungkyunkwanin yliopiston (SKKU) professori Wonyoung Leen johtama tutkimusryhmä on kehittänyt teknologian, joka puuttuu rajapinnan kontaktiresistanssin, joka on keskeinen tekijä protonisten keraamisten sähkökemiallisten kennojen (PCEC) suorituskykyä rajoittava tekijä.

Koska PCEC:t voivat toimia tehokkaasti alhaisemmissa lämpötiloissa (500ºC) kuin perinteiset SOEC-laitteet (800ºC), ne herättävät huomiota keskeisenä teknologiana tulevaisuuden vetytaloudelle.

Perinteisissä kennoissa tiheän, sileän elektrolyytin ja huokoisen, sienimäisen elektrodin välinen rajapinta kuitenkin usein ei ole täysin fyysisesti kosketuksissa. Tämä luo ei-toivottua rajapintakontaktivastusta, joka estää materiaaleja saavuttamasta täyttä suorituskykyään.

Tutkimustyön tulokset osoittivat, että rajapinnan resistanssi pienenee systemaattisesti "kontaktin peittoalueen" – kahden fyysisessä kosketuksessa olevan komponentin osuuden – kasvaessa. Tämän analyysin avulla tutkijat tunnistivat kontaktin peittoalueen keskeiseksi tällaisten kennojen suorituskykyä sääteleväksi suunnitteluparametriksi.

Tutkijat odottavat, että kehitettyä teknologiaa voidaan soveltaa laajasti suurissa puhtaan energian voimalaitoksissa, vetykäyttöisissä ajoneuvoissa, ympäristöystävällisissä energian varastointijärjestelmissä ja monilla muilla aloilla.”

Uusi tapa tehdä vetyä vedestä

Oregonin osavaltionyliopiston tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen fotokatalyytin, joka pystyy tuottamaan vetyä nopeasti ja tehokkaasti.

Työtä johtaneen Kyriakos Stylianoun mukaan heidän tutkimuksensa keskittyy metalliorgaanisiin runkoihin eli MOF-rakenteisiin, jotka ovat kiteisiä, huokoisia materiaaleja, joiden rakenteita voidaan huolellisesti muokata.

Tässä tutkimuksessa tutkijat keskittyivät BVR-19-nimiseen MOF-materiaaliin. Materiaali sisältää epätavallisen sulfidi-sulfidisidoksen, joka katkeaa tilapäisesti valolle altistettuna, jolloin muodostuu erittäin reaktiivista rikkiä.

"Orgaaninen komponentti tekee tärkeän työn", Stylianou kertoo. "Sen sijaan, että materiaalimme luottaisi ensisijaisesti metalliatomeihin, se käyttää rikkiä sisältäviä orgaanisia rakenneosia valoenergian talteenottoon ja elektronien siirtämiseen sinne, missä niitä tarvitaan vedyn tuottamiseksi. Tämä edustaa erilaista tapaa ajatella näiden materiaalien suunnittelua."

Stylianou lisäsi, että tämä lähestymistapa tarkoittaa, että BVR-19 ei vaadi kallista metallikatalyyttiä. Tämä voisi yksinkertaistaa tulevaisuuden valokäyttöisten vedyntuotantojärjestelmien suunnittelua.

Materiaalilla on myös toinen mahdollinen etu. BVR-19 muodostuu spontaanisti vesiliuoksissa huoneenlämmössä, mikä vähentää sen valmistukseen tarvittavan energian määrää.

Vedyn tuotanto kaksinkertaiseksi

Monet kemialliset prosessit tarvitsevat vetyä, jota tuotetaan edelleen fossiilisista polttoaineista. Protoninen keraaminen elektrolyysikenno (PCEC) on laitteisto, joka voi tuottaa vetyä vedestä lämpötiloissa, jotka vastaavat keskeisiä teollisia prosesseja.

Groningenin yliopiston tutkijat osoittivat äskettäin, että materiaalien huolellinen nanopartikkeleihin liittyvä koordinointi PCEC-laitteistossa voi kaksinkertaistaa vedyn tuotannon samalla sähkönkulutuksella.

Työmme havainnollistaa, kuinka aiemmin tutkimattomia rajapinta-ionivuorovaikutuksia voidaan muokata mahdollistamaan erittäin tehokas uusiutuvan vedyn tuotanto teollisesti merkityksellisissä lämpötiloissa, todetaan tutkijoiden tiedotteessa.

Korkea entropia avuksi

Erilaisista veden elektrolyysin lähestymistavoista protoninvaihtokalvoelektrolyysi (PEM) erottuu kyvystään reagoida nopeasti sähkön tarjonnan muutoksiin. Tämä joustavuus tekee siitä erityisen sopivan käytettäväksi uusiutuvien energialähteiden, kuten tuuli- ja aurinkoenergian, kanssa.

Tämä tekniikka perustuu kuitenkin iridiumpohjaisiin katalyytteihin hapen tuotannossa, jotka ovat paitsi kalliita metallin harvinaisuuden vuoksi, mutta voivat myös vähitellen menettää tehokkuuttaan ajan myötä.

Jotta iridiumkatalyytit kestäisivät pidempään, Tohokun yliopiston tutkijat kehittivät uuden rakenteen metallin suojaamiseksi hajoamiselta. Upottamalla iridium-nanopartikkeleita erityisesti suunniteltuun korkean entropian perovskiittiin he loivat rakenteen, joka pitää hiukkaset tiukasti paikoillaan ja samalla säätelee niiden sähköistä ympäristöä.

Korkean entropian seokset ovat moderni materiaaliseos jossa viisi tai useampi pääelementti esiintyy suurin piirtein yhtä suurina määrinä. Seoksen korkea atomien epäjärjestyksen taso (konfiguraatioentropia) pakottaa atomit asettumaan huomattavan vakaaksi ja yhtenäiseksi kiderakenteeksi.

Ja tällaiseen seokseen tutkijat upottivat iridiumia, mikä sitten paransi merkittävästi katalyytin kestävyyttä.

Tutkijat toivovat, että työ edistää luotettavampien ja edullisempien vesielektrolyysijärjestelmien kehittämistä, mikä tekee vihreän vedyn tuotannosta käytännöllisempää suuremmassa mittakaavassa.

Jo aiemmin on osoitettu, että korkean entropian omaaville seoksilla ja oksideilla voi tuottaa paljon parempia katalyyttisiä ominaisuuksia kuin mikään yksittäinen komponentti.

Kiinassa sijaitsevassa Sisä-Mongolian teknillisen yliopiston tutkimuksissa on tuotettu nyt ensimmäiset ontot harvinaisia maametalleja sisältävät, korkean entropian omaavat karbidinanohiukkaset: Niiden helppo sähkökemiallinen reitti tuottaa tehokkaan jalometallittoman vedynkehityksen katalyytin.

Työssä havaittiin, että räätälöity ontto nanorakenne parantaa huomattavasti karbidihiukkasten elektrokatalyyttistä suorituskykyä verrattuna kiinteisiin vastineisiin”, sanoo Wen Ma Sisä-Mongolian teknillisen yliopiston (Kiina) materiaalitieteen ja -tekniikan laitokselta.

Muutetaan kasvihuonekaasut resursseiksi

Viime aikoina huomiota ovat herättäneet myös "hiilen talteenotto- ja hyödyntämisteknologiat", jotka menevät pelkän hiilidioksidin talteenottoa ja varastointia pidemmälle ja käyttävät sitä polttoaineiden tai kemikaalien raaka-aineena.

Erityisesti "keinotekoinen fotosynteesi", jossa auringonvaloa käytetään hiilidioksidin muuntamiseen hyödyllisiksi polttoaineiksi herättänyt huomattavaa kiinnostusta.

Korealainen tutkimusryhmä on kehittänyt fotokatalyyttisen teknologian, joka parantaa MXene-materiaalin stabiiliutta ja kykyä muuntaa hiilidioksidia tehokkaasti metaaniksi.

”Tämä tutkimus on merkittävä siinä mielessä, että paransimme samanaikaisesti fotokatalyytin stabiilisuutta ja sen hiilidioksidin konversiokykyä hallitsemalla vedelle ja valolle alttiin MXenen pintaa,” sanoo DGIST:n professori Su-Il In. ”Odotamme, että tätä teknologiaa hyödynnetään hiilivarojen konversioteknologiassa, jossa auringonvaloa käytetään hiilidioksidin muuntamiseen hyödyllisiksi polttoaineiksi, kuten metaaniksi.”

Sähkökemiallinen ammoniakin synteesiprosessi

Korean energiantutkimuslaitos (KIER) tutkimusryhmä on kehittänyt ympäristöystävällisen ammoniakin synteesiprosessin, joka vähentää merkittävästi hiilidioksidipäästöjä innovatiivisen erotuskalvotekniikan avulla.

Tutkimusryhmä havaitsi, että palladiumkalvo kuljettaa selektiivisesti vedessä olevia vetyioneja kalvon läpi, ja osoitti myöhemmin tämän mekanismin käytännön toteutettavuuden soveltamalla sitä ammoniakin sähkökemialliseen synteesiprosessiin. Tällaisessa prosessissa voidaan käyttää suoraan vettä vetykaasujen sijaan, mikä tarjoaa uuden tutkimussuunnan tällä alalla.

Projektia johtanut tohtori Jae-Hyung Kim sanoi: "Tämä saavutus on merkittävä, koska ehdottamamme uusi ionikuljetusmekanismi tarjoaa tehokkaan ratkaisun ionien siirtymiseen liittyvään ongelmaan, joka on edelleen ensisijainen este vihreän ammoniakin synteesin toteuttamiselle sähkökemiallisilla laitteilla."

Tohtori Kim korosti: "Kehitetyllä teknologialla on myös suuri potentiaali laajempiin sovelluksiin erilaisissa sähkökemiallisissa laitteissa, jotka vaativat vieläkin tiukempaa massaerottelua kuin ammoniakin synteesi."