Νέα

Σε έρευνα που εκδόθηκε πρόσφατα στο περιοδικό  Nature Communications οι επιστήμονες του UNSW Sydney, του Πανεπιστημίου Griffith και του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας του Swinburne έδειξαν ότι ο διαχωρισμός του υδρογόνου από το οξυγόνο στο νερό μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση μετάλλων χαμηλού κόστους όπως ο σίδηρος και το νικέλιο ως καταλύτες που επιταχύνουν αυτή τη χημική αντίδραση ενώ απαιτούν λιγότερη ενέργεια.

Ο σίδηρος και το νικέλιο, που βρίσκονται σε αφθονία στη Γη, θα αντικαταστήσουν τα πολύτιμα μέταλλα ρουθήνιο, πλατίνα και ιρίδιο, τα οποία μέχρι τώρα θεωρούνται ως καταλύτες αναφοράς στη διαδικασία διάσπασης νερού.

Ο Καθηγητής της Σχολής Χημείας του UNSW, Chuan Zhao, λέει ότι κατά την ηλεκτρόλυση του νερού, δύο ηλεκτρόδια εφαρμόζουν ένα ηλεκτρικό φορτίο στο νερό που επιτρέπει το υδρογόνο να διασπαστεί από το οξυγόνο και να χρησιμοποιηθεί ως ενέργεια σε μια κυψέλη καυσίμου.

«Αυτό που κάνουμε είναι να καλύψουμε τα ηλεκτρόδια με τον καταλύτη μας για να μειώσουμε την κατανάλωση ενέργειας», λέει. «Σε αυτόν τον καταλύτη υπάρχει μια μικροσκοπική διασύνδεση νανο-κλίμακας όπου ο σίδηρος και το νικέλιο συναντώνται στο ατομικό επίπεδο, το οποίο γίνεται ενεργός χώρος για τη διάσπαση του νερού. Εκεί είναι όπου το υδρογόνο μπορεί να χωριστεί από το οξυγόνο και να συλληφθεί ως καύσιμο και το οξυγόνο να απελευθερωθεί ως περιβαλλοντικά φιλικό απόβλητό».

Το 2015, η ομάδα του καθηγητή Zhao εφηύρε ένα ηλεκτρόδιο νικελίου-σιδήρου για παραγωγή οξυγόνου με ρεκόρ υψηλής απόδοσης. Ωστόσο, ο καθηγητής Zhao λέει ότι από μόνοι τους, ο σίδηρος και το νικέλιο δεν είναι καλοί καταλύτες για την παραγωγή υδρογόνου, αλλά όπου ενώνονται στη νανοκλίμακα είναι «εκεί όπου συμβαίνει η μαγεία».

«Η διεπαφή νανοκλίμακας αλλάζει θεμελιωδώς τις ιδιότητες αυτών των υλικών», λέει. «Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι ο καταλύτης νικελίου-σιδήρου μπορεί να είναι τόσο ενεργός όσο αυτός της  πλατίνας για την παραγωγή υδρογόνου».

«Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα είναι ότι το ηλεκτρόδιο νικελίου-σιδήρου μπορεί να καταλύσει τόσο την παραγωγή υδρογόνου όσο και του οξυγόνου, έτσι όχι μόνο θα μπορούσαμε να μειώσουμε το κόστος παραγωγής με τη χρήση  γεωλογικά άφθονων στοιχείων, αλλά και το κόστος κατασκευής ενός καταλύτη αντί δύο».

Μια γρήγορη ματιά στις σημερινές τιμές μετάλλων δείχνει ακριβώς γιατί αυτό θα μπορούσε να είναι το ρηξικέλευθο βήμα που απαιτείται για να επιταχυνθεί η μετάβαση προς τη λεγόμενη οικονομία υδρογόνου. Ο σίδηρος και το νικέλιο κοστίζουν 0,13 $ και 19,65 $ ανά κιλό. Αντιθέτως, το ρουθήνιο, η πλατίνα και το ιρίδιο διατιμώνται στα $ 11,77, $ 42,13 και $ 69,58 ανά γραμμάριο - με άλλα λόγια, χιλιάδες φορές πιο ακριβά.

«Αυτή τη στιγμή στην οικονομία μας με ορυκτά καύσιμα, έχουμε αυτό το τεράστιο κίνητρο να κινηθούμε σε μια οικονομία υδρογόνου, ώστε να μπορούμε να χρησιμοποιούμε υδρογόνο ως καθαρό ενεργειακό φορέα που είναι άφθονο στη Γη», λέει ο καθηγητής Zhao.«Μιλάμε για την οικονομία του υδρογόνου για καιρό, αλλά αυτή τη φορά μοιάζει σαν να έρχεται πραγματικά».

Ο καθηγητής Zhao λέει ότι εάν αναπτυχθεί περαιτέρω η τεχνολογία διάσπασης ύδατος, θα μπορούσαν μία μέρα να υπάρχουν σταθμοί ανεφοδιασμού υδρογόνου όπως τα πρατήρια καυσίμων σήμερα, όπου θα μπορούσατε να πάτε και να γεμίζετε τις κυψέλες καυσίμων του  αυτοκινήτου σας με αέριο υδρογόνο που παράγεται από αυτήν ακριβώς την αντίδραση διάσπασης. Ο ανεφοδιασμός θα μπορούσε να γίνει σε λίγα λεπτά συγκριτικά με τις ώρες που απαιτούνται στην περίπτωση ηλεκτρικών αυτοκινήτων με μπαταρία λιθίου.

«Ελπίζουμε ότι η έρευνά μας μπορεί να χρησιμοποιηθεί από σταθμούς όπως αυτοί για να φτιάχνουν το δικό τους υδρογόνο χρησιμοποιώντας βιώσιμες πηγές όπως το νερό, την ηλιακή ενέργεια και αυτούς τους χαμηλού κόστους και αποτελεσματικούς καταλύτες».

Περισσότερες Πληροφορίες: Bryan H. R. Suryanto et al. Overall electrochemical splitting of water at the heterogeneous interface of nickel and iron oxide, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-13415-8

">

Τα αυτοκίνητα που χρησιμοποιούν υδρογόνο μπορεί σύντομα να αποτελέσουν κάτι περισσότερο από μια καινοτομία ύστερα από την προσπάθεια μιας ομάδας επιστημόνων υπό την ηγεσία του UNSW (Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας), η οποία επέδειξε έναν πολύ φθηνότερο και βιώσιμο τρόπο δημιουργίας του υδρογόνου που απαιτείται για την κίνηση τους.

Σε έρευνα που εκδόθηκε πρόσφατα στο περιοδικό  Nature Communications οι επιστήμονες του UNSW Sydney, του Πανεπιστημίου Griffith και του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας του Swinburne έδειξαν ότι ο διαχωρισμός του υδρογόνου από το οξυγόνο στο νερό μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση μετάλλων χαμηλού κόστους όπως ο σίδηρος και το νικέλιο ως καταλύτες που επιταχύνουν αυτή τη χημική αντίδραση ενώ απαιτούν λιγότερη ενέργεια.

Ο σίδηρος και το νικέλιο, που βρίσκονται σε αφθονία στη Γη, θα αντικαταστήσουν τα πολύτιμα μέταλλα ρουθήνιο, πλατίνα και ιρίδιο, τα οποία μέχρι τώρα θεωρούνται ως καταλύτες αναφοράς στη διαδικασία διάσπασης νερού.

Ο Καθηγητής της Σχολής Χημείας του UNSW, Chuan Zhao, λέει ότι κατά την ηλεκτρόλυση του νερού, δύο ηλεκτρόδια εφαρμόζουν ένα ηλεκτρικό φορτίο στο νερό που επιτρέπει το υδρογόνο να διασπαστεί από το οξυγόνο και να χρησιμοποιηθεί ως ενέργεια σε μια κυψέλη καυσίμου.

«Αυτό που κάνουμε είναι να καλύψουμε τα ηλεκτρόδια με τον καταλύτη μας για να μειώσουμε την κατανάλωση ενέργειας», λέει. «Σε αυτόν τον καταλύτη υπάρχει μια μικροσκοπική διασύνδεση νανο-κλίμακας όπου ο σίδηρος και το νικέλιο συναντώνται στο ατομικό επίπεδο, το οποίο γίνεται ενεργός χώρος για τη διάσπαση του νερού. Εκεί είναι όπου το υδρογόνο μπορεί να χωριστεί από το οξυγόνο και να συλληφθεί ως καύσιμο και το οξυγόνο να απελευθερωθεί ως περιβαλλοντικά φιλικό απόβλητό».

Το 2015, η ομάδα του καθηγητή Zhao εφηύρε ένα ηλεκτρόδιο νικελίου-σιδήρου για παραγωγή οξυγόνου με ρεκόρ υψηλής απόδοσης. Ωστόσο, ο καθηγητής Zhao λέει ότι από μόνοι τους, ο σίδηρος και το νικέλιο δεν είναι καλοί καταλύτες για την παραγωγή υδρογόνου, αλλά όπου ενώνονται στη νανοκλίμακα είναι «εκεί όπου συμβαίνει η μαγεία».

«Η διεπαφή νανοκλίμακας αλλάζει θεμελιωδώς τις ιδιότητες αυτών των υλικών», λέει. «Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι ο καταλύτης νικελίου-σιδήρου μπορεί να είναι τόσο ενεργός όσο αυτός της  πλατίνας για την παραγωγή υδρογόνου».

«Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα είναι ότι το ηλεκτρόδιο νικελίου-σιδήρου μπορεί να καταλύσει τόσο την παραγωγή υδρογόνου όσο και του οξυγόνου, έτσι όχι μόνο θα μπορούσαμε να μειώσουμε το κόστος παραγωγής με τη χρήση  γεωλογικά άφθονων στοιχείων, αλλά και το κόστος κατασκευής ενός καταλύτη αντί δύο».

Μια γρήγορη ματιά στις σημερινές τιμές μετάλλων δείχνει ακριβώς γιατί αυτό θα μπορούσε να είναι το ρηξικέλευθο βήμα που απαιτείται για να επιταχυνθεί η μετάβαση προς τη λεγόμενη οικονομία υδρογόνου. Ο σίδηρος και το νικέλιο κοστίζουν 0,13 $ και 19,65 $ ανά κιλό. Αντιθέτως, το ρουθήνιο, η πλατίνα και το ιρίδιο διατιμώνται στα $ 11,77, $ 42,13 και $ 69,58 ανά γραμμάριο - με άλλα λόγια, χιλιάδες φορές πιο ακριβά.

«Αυτή τη στιγμή στην οικονομία μας με ορυκτά καύσιμα, έχουμε αυτό το τεράστιο κίνητρο να κινηθούμε σε μια οικονομία υδρογόνου, ώστε να μπορούμε να χρησιμοποιούμε υδρογόνο ως καθαρό ενεργειακό φορέα που είναι άφθονο στη Γη», λέει ο καθηγητής Zhao.«Μιλάμε για την οικονομία του υδρογόνου για καιρό, αλλά αυτή τη φορά μοιάζει σαν να έρχεται πραγματικά».

Ο καθηγητής Zhao λέει ότι εάν αναπτυχθεί περαιτέρω η τεχνολογία διάσπασης ύδατος, θα μπορούσαν μία μέρα να υπάρχουν σταθμοί ανεφοδιασμού υδρογόνου όπως τα πρατήρια καυσίμων σήμερα, όπου θα μπορούσατε να πάτε και να γεμίζετε τις κυψέλες καυσίμων του  αυτοκινήτου σας με αέριο υδρογόνο που παράγεται από αυτήν ακριβώς την αντίδραση διάσπασης. Ο ανεφοδιασμός θα μπορούσε να γίνει σε λίγα λεπτά συγκριτικά με τις ώρες που απαιτούνται στην περίπτωση ηλεκτρικών αυτοκινήτων με μπαταρία λιθίου.

«Ελπίζουμε ότι η έρευνά μας μπορεί να χρησιμοποιηθεί από σταθμούς όπως αυτοί για να φτιάχνουν το δικό τους υδρογόνο χρησιμοποιώντας βιώσιμες πηγές όπως το νερό, την ηλιακή ενέργεια και αυτούς τους χαμηλού κόστους και αποτελεσματικούς καταλύτες».

Περισσότερες Πληροφορίες: Bryan H. R. Suryanto et al. Overall electrochemical splitting of water at the heterogeneous interface of nickel and iron oxide, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-13415-8