Vihreää vetyä edullisemmin

Veden elektrolyysistä uusiutuvalla sähköllä syntyvää vihreää vetyä pidetään seuraavan sukupolven uusiutuvana energialähteenä.

Platinapohjaiset heterogeeniset katalyytit ovat perinteinen kaupallinen toteutus aiheesta mutta niiden tehokkuus on erittäin alhainen per metalliatomi, koska niissä hyödynnetään vain pinnan aktiivisia atomeja.

Katalyyttirakenteet, joissa hyödynnetään yksittäisiä atomeja, olisivat erittäin toivottavia atomitehokkuuden maksimoimiseksi, mutta niiden valmistaminen on haastavaa. Viimeisen kymmenen vuoden aiheeseen on paneuduttu sillä etuina olisivat yksittäisten atomien maksimaalinen hyödyntäminen ja mahdollisuus tehokkaaseen materiaalikierrätykseen.

Tässä vaiheessa jalometallipohjaisten katalyyttien korvaaminen energiaan liittyvissä muunnoksissa lupailee jo vallankumouksellisia läpimurtoja. Se avaisi sähkökemiallisia reittejä polttoaineiden tuotannon soveltamiseen tavalla, jossa hyödynnettäisiin halpoja ja tehokkaita katalyyttimateriaaleja.

Korealaisen IBS:n uusimpien tutkimusten mukaan yksinkertaisin tapa muokata yksittäisiä atomeja on muuttaa ne yhden atomin dimeereiksi, jotka yhdistävät kaksi erilaista yksittäistä atomia. Yksiatomisten katalyyttien aktiivisen kohdan virittäminen dimeereillä voi parantaa reaktion kinetiikkaa kahden eri atomin välisen synergistisen vaikutuksen ansiosta.

Lee Hyoyoungin johtaman Sungkyunkwanin yliopistossa sijaitsevan perustieteen instituutin (IBS) tutkimusryhmä kehitti onnistuneesti atomisesti dispergoituneen Ni-Co-dimeerirakenteen, joka oli stabiloitu typpiseostetulle hiilikantajalle, ja se sai nimekseen NiCo-SAD-NC.

Tutkimusryhmä arvioi tämän uuden järjestelmän katalyyttisen tehokkuuden vetykehitysreaktion ohjaamiseen vaadittavan ylipotentiaalin suhteen. NiCo-SAD-NC-elektrokatalyytillä oli vastaava ylijännitetaso kuin kaupallisilla Pt-pohjaisilla katalyyteillä sekä happamissa että emäksissä kohteissa.

Suurempi vertailuarvoja sisältävä kuva

NiCo-SAD-NC osoitti myös kahdeksan kertaa korkeampaa aktiivisuutta kuin Ni/Co-yksiatomikatalyytit ja heterogeeniset NiCo-nanohiukkaset emäksisessä väliaineessa. Samaan aikaan se saavutti 17 ja 11 kertaa korkeamman aktiivisuuden kuin Co- tai Ni-yksiatomikatalyytit, vastaavasti, ja 13 kertaa korkeamman kuin tavanomaiset Ni/Co-nanohiukkaset happamissa väliaineissa. Lisäksi tutkijat osoittivat uuden katalyytin pitkäaikaisen vakauden, sillä se kykeni ajamaan reaktiota 50 tuntia ilman rakenteen muutoksia.

Lee Hyoyoung kommentoi: "Tämä tutkimus vie meidät askeleen lähemmäksi hiiletöntä ja vihreää vetytaloutta. Tämä erittäin tehokas ja halpa vetyä tuottava elektrokatalyytti ja auttaa voittamaan kustannuskilpailukykyisen vihreän vedyn tuotannon pitkän aikavälin haasteet: tuottaa korkean puhdasta vetyä kaupallisiin sovelluksiin edulliseen hintaan ja ympäristöystävällisellä tavalla."

Hieman aiemmin IBS:n tutkijat osoittivat toisen kehittämänsä yksiatomisen katalyytin voivan tuottaa vetyä ureasta poikkeuksellisen nopeasti.

Vedyn tuottaminen urean hapetusreaktiolla (UOR) tarjoaa suuren lupauksen johtuen urean elektrolyysin termodynaamisesti suotuisista (0,37 V, termodynaaminen jännite) olosuhteista. Lisäksi urean elektrolyysi säästi noin 16 % energiaa verrattuna vedyn tuottamiseen tarkoitetulla vesielektrolyysillä.

Lisäetuna olisi ureakontaminaation lieventäminen, sillä noin 2 200 miljardia tonnia ureapitoista jätevettä johdetaan vesistöihin joka vuosi.

Aiheesta aiemmin:

Katalyyttejä yhdellä atomilla ja ferrosähköllä

Taloudellisempaa veden hajottamista