Elektroliza vode nudi idealan proces za proizvodnju vodonika, koji bi mogao da igra ključnu ulogu u globalnoj energetskoj tranziciji koja se sve više oslanja na obnovljivu električnu energiju, ali čiji je trenutni proizvodni proces izuzetno intenzivan ugljenik.
Kao izvor energije, vodonik je uglavnom neiskorišćen zbog nedostupnosti i nedostatka razumevanja katalizatora koji se koriste za njegovu proizvodnju. Nova studija istraživača sa Univerziteta Northvestern o najperspektivnijim proučavanim katalizatorima, oksidima na bazi iridijuma, omogućila je dizajn novog katalizatora koji održava veću aktivnost, dužu stabilnost i efikasniju upotrebu iridijuma, što bi moglo učiniti proizvodnju zelenog vodonika izvodljivom.
Rad, objavljen u časopisu Kataliza prirode, kombinovao je komplementarne tehnike karakterizacije zasnovane na elektronima i rendgenskim zracima da bi, po prvi put, identifikovao eksperimentalne dokaze o tome kako se površina iridijum oksida menja tokom elektrolize vode.
„Sada kada konačno znamo prirodu ovih aktivnih mesta na površinama ovih materijala, možemo dizajnirati buduće katalizatore koji sadrže samo tri strukture koje smo identifikovali da bismo postigli optimizovane performanse i efikasnije korišćenje dragocenog iridijuma“, rekla je Linsei Seitz, Severozapadni elektrohemičar i glavni autor rada.
Seitz je docent za hemijsko i biološko inženjerstvo na Northvestern McCormick School of Engineering i stručnjak za obnovljive izvore energije.
Ovaj „dragoceni iridijum“ je redak nusproizvod rudarenja platine i jedini katalizator koji je trenutno održiv za proizvodnju zelenog vodonika zbog teških radnih uslova reakcije.
Elektroliza vode—proces razlaganja molekula vode pomoću struje—preko tehnologije koja se zove elektroliza vode na membrani za protonsku izmjenu (PEM), obećava jer može u potpunosti raditi na obnovljivoj struji, ali reakcija se dešava u kiseloj sredini koja ograničava tipove katalizatora. koji se mogu koristiti.
Reakcioni uslovi takođe značajno menjaju strukturu materijala katalizatora na njihovoj površini. Ove reorganizovane površinske strukture katalizatora bile su neuhvatljive za identifikaciju jer se brzo menjaju u procesu elektrolize vode i mogu se oštetiti metodama snimanja.
Prethodno istraživanje je kompjuterski predvidelo moguće vrste veza koje mogu biti prisutne na površinama iridijum oksida, ali nikada nisu bile u mogućnosti da pruže direktne eksperimentalne dokaze.
U trenutnoj studiji, utvrđeno je da tri vrste veza koje su prethodno opisane samo kao „amorfne“ (koje nemaju vidljivu strukturu) nakon katalitičke reakcije imaju različite, parakristalne strukture, i utvrđeno je da su najodgovornije za stabilnost i aktivnost katalizatora.
Radni tok Seitz tima značajno je smanjio štetu od ovih tehnika kako bi omogućio precizniju analizu struktura u složenim materijalima. Prvo, istraživači su koristili mikroskopiju zasnovanu na elektronima i rasejanje da bi identifikovali površinsku strukturu katalizatora, i pre i posle procesa elektrolize vode. Zatim su potvrdili rezultate rendgenskom spektroskopijom visoke rezolucije i rasejanjem.
„Oduševljeni smo što smo proširili ove tehnike karakterizacije kako bismo rigorozno analizirali druge složene, aktivne materijale katalizatora čije su relevantne aktivne strukture do sada bile neuhvatljive za eksperimentalnu identifikaciju“, rekao je Seitz.
„Ovi fundamentalni uvidi će pokrenuti dizajn katalizatora visokih performansi koji mogu optimalno da koriste plemenite metale i sadržaj kritičnih minerala.“
Koristeći svoje novo razumevanje iridijuma, tim je uspeo da dizajnira katalizator koristeći samo parakristalne strukture koje su bile tri do četiri puta efikasnije od drugih katalizatora na bazi iridijuma tokom prvog merenja aktivnosti.
„Naš razvoj će nam pomoći da se približimo održivoj energetskoj budućnosti u kojoj je zeleni vodonik putem elektrolize vode realnost, a široko rasprostranjena primena ovih novih tehnologija je tehnološki i ekonomski izvodljivija“, rekao je Zajc.
