Vodonik je obećavajući hemijski i energetski vektor za dekarbonizaciju našeg društva. Za razliku od konvencionalnih goriva, korišćenje vodonika kao goriva ne stvara zauzvrat ugljen-dioksid. Nažalost, danas većina vodonika koji se proizvodi u našem društvu dolazi iz metana, fosilnog goriva. To radi u procesu (reformisanje metana) koji dovodi do značajnih emisija ugljen-dioksida. Stoga, proizvodnja zelenog vodonika zahteva skalabilne alternative ovom procesu.
Elektroliza vode nudi put za generisanje zelenog vodonika koji se može napajati iz obnovljivih izvora i čiste električne energije. Ovom procesu su potrebni katodni i anodni katalizatori da bi se ubrzale inače neefikasne reakcije cepanja vode i rekombinacije u vodonik i kiseonik, respektivno. Od svog ranog otkrića u kasnom 18. veku, elektroliza vode je sazrela u različite tehnologije. Jedna od najperspektivnijih implementacija elektrolize vode je membrana za protonsku razmenu (PEM), koja može da proizvede zeleni vodonik kombinujući visoke stope i visoku energetsku efikasnost.
Do danas, elektroliza vode — a posebno PEM — zahtevala je katalizatore zasnovane na retkim, retkim elementima, kao što su platina i iridijum, između ostalih. Samo nekoliko jedinjenja kombinuje potrebnu aktivnost i stabilnost u oštrom hemijskom okruženju koje nameće ova reakcija. Ovo je posebno izazovno u slučaju anodnih katalizatora, koji moraju da rade u visoko korozivnim kiselim sredinama — uslovima u kojima su samo iridijum oksidi pokazali stabilan rad u potrebnim industrijskim uslovima. Ali iridijum je jedan od najređih elemenata na Zemlji.
U potrazi za mogućim rešenjima, tim naučnika je nedavno preduzeo važan korak da pronađe alternative iridijumskim katalizatorima. Ovaj multidisciplinarni tim uspeo je da razvije novi način da se katalizatoru bez iridijuma dodeli aktivnost i stabilnost tako što je iskoristio do sada neistražena svojstva vode. Novi katalizator postiže — po prvi put — stabilnost u PEM elektrolizi vode u industrijskim uslovima bez upotrebe iridijuma.
Ovo otkriće, objavljeno u Science , izveli su istraživači ICFO Ranit Ram, dr Lu Sja, dr Anku Guha, dr Viktorija Golovanova, dr Marinos Dimitropulos, Aparna M. Das i Adrijan Pinila-Sančez, a predvođeni Profesor na ICFO dr F. Pelaio Garcia de Arkuer; i uključuje značajnu saradnju Instituta za hemijska istraživanja Katalonije (ICIK), Katalonskog instituta za nauku i tehnologiju (ICN 2), Francuskog nacionalnog centra za naučna istraživanja (CNRS), Diamond Light Source i Instituta za napredne materijale (INAM ).
Kombinovanje aktivnosti i stabilnosti u visoko kiseloj sredini je izazov. Metali iz katalizatora imaju tendenciju da se rastvaraju, pošto većina materijala nije termodinamički stabilna pri niskom pH i primenjenom potencijalu u vodenoj sredini. Oksidi iridijuma kombinuju aktivnost i stabilnost u ovim teškim uslovima, i zato su preovlađujući izbor za anode u elektrolizi vode sa protonskom izmenom.
Potraga za alternativama iridijumu nije samo važan primenjen izazov, već i fundamentalni izazov. Intenzivna istraživanja u potrazi za neiridijumskim katalizatorima dovela su do novih uvida u mehanizme reakcije i degradacije, posebno uz korišćenje sondi koje bi mogle da proučavaju katalizatore tokom rada u kombinaciji sa računarskim modelima. Ovo je dovelo do obećavajućih rezultata korišćenjem materijala na bazi mangana i kobalt oksida, i korišćenjem različitih struktura, sastava i dodataka, kako bi se modifikovali fizičko-hemijska svojstva katalizatora.
Iako su pronicljive, većina ovih studija izvedena je u osnovnim reaktorima koji nisu skalabilni i rade u mekšim uslovima koji su daleko od konačne primene, posebno u pogledu gustine struje. Do danas je pokazivanje aktivnosti i stabilnosti sa neiridijumskim katalizatorima u PEM reaktorima i u radnim uslovima relevantnim za PEM (visoka gustina struje) ostalo nedostižno.
Da bi se ovo prevazišlo, istraživači ICFO, ICIK, ICN 2, CNRS, Diamond Light Source i INAM-a došli su do novog pristupa u dizajnu neiridijumskih katalizatora, postižući aktivnost i stabilnost u kiselim medijima. Njihova strategija, zasnovana na kobaltu (veoma obilan i jeftin), bila je sasvim drugačija od uobičajenih puteva.
„Konvencionalni dizajn katalizatora se obično fokusira na promenu sastava ili strukture upotrebljenih materijala. Ovde smo zauzeli drugačiji pristup. Dizajnirali smo novi materijal koji aktivno uključuje sastojke reakcije (vodu i njene fragmente) u svoju strukturu. Mi smo otkrili su da se ugradnja vode i fragmenata vode u strukturu katalizatora može prilagoditi tako da zaštiti katalizator u ovim izazovnim uslovima, čime se omogućava stabilan rad pri visokim gustinama struje koje su relevantne za industrijsku primenu“, objašnjava profesor na ICFO Garcia de Arkuer.
Sa njihovom tehnikom, koja se sastoji od procesa delaminacije koji zamenjuje deo materijala za vodu, rezultujući katalizator predstavlja održivu alternativu katalizatorima na bazi iridijuma.
