Wodór ma problem z kosztami. Rozdzielanie wody na wodór i tlen wygląda prosto na tablicy, w praktyce to jednak delikatny taniec interfejsów, jonów i cen energii. Każda nieefektywność mnoży się w skali gigawatów, a każdy miligram rzadkiego katalizatora potrafi wybić się w kosztorysie. Wielki cel branży, czyli czysty wodór za około 1 dolara za kilogram do końca tej dekady nie jest kwestią przełomu, a setek drobnych usprawnień ułożonych jedno na drugim. Najcenniejsze są naturalnie te usprawnienia, które wyciskają więcej z tego, co już potrafimy wytwarzać. Nowy wynik z Japonii wpisuje się dokładnie w tę kategorię.
Chemia kawy spotyka czysty wodór. Trik z purynami turbodoładowuje platynę
Zamiast wymieniać metal, projektować stosy od nowa czy zmieniać membrany, zespół z Uniwersytetu Chiba twierdzi w swoje nowej pracy, że cienka warstwa cząsteczek organicznych (z rodziny puryn pojawiających się w kofeinie i zasadach DNA) potrafi sprawić, że woda na powierzchni platyny zachowuje się inaczej. Ta drobna korekta popycha trudniejszy etap zasadowej ewolucji wodoru nie siłowo, lecz przez przeorganizowanie mikroskopijnych wiązań wodorowych samej cieczy. Taka oto “sztuczka chemików” może mieć poważne konsekwencje dla ekonomiki elektrolizy.
Czytaj też: Przełom w walce z wszechobecnym litem. Ten akumulator przyciąga marzenia
Wchodząc w szczegóły, specjaliści z Japonii zmodyfikowali w ramach swojej pracy elektrody platynowe zasadami purynowymi takimi jak kofeina, ksantyna, teobromina, teofilina oraz samą puryną, a następnie zmierzyli szybkość generacji wodoru w warunkach zasadowych. W kontrolowanych testach na platynie w postaci pojedynczego kryształu aktywność reakcji wydzielania wodoru wzrosła nawet pięciokrotnie, zależnie od cząsteczki. W tym porównaniu to puryna i teofilina należały do najlepszych, a gdy koncepcję przeniesiono z kryształów idealnych na roboczy katalizator platyna-na-węglu, efekt utrzymał się na poziomie około 3,2 raza w standardowym elektrolicie zasadowym.
Czytaj też: Nowy przełom w akumulatorach. Srebro na elektrodzie to spokój w garażu
Autorzy przypisują taki skok powstaniu “klatki z wody” w nanoskali połączonej wiązaniami wodorowymi wokół zaadsorbowanej puryny, która to pomaga odsuwać jony wodorotlenkowe od aktywnej powierzchni i obniża barierę energetyczną następnego kroku tworzenia wodoru. Ten mechanizm ma znaczenie, bo elektroliza zasadowa (w odróżnieniu od kwaśnych systemów PEM) musi najpierw rozszczepić cząsteczkę wody, by wytworzyć zaadsorbowany wodór, a ten etap jest notorycznie powolny na wielu katalizatorach. Powstaje więc napięcie, bo choć platyna jest świetna dla chemii wodoru, to jednocześnie jest droga i globalnie ograniczona.
Każde podejście pozwalające użyć platyny w mniejszej ilości przy zachowaniu tej samej wydajności jest na wagę złota. Nic dziwnego, że badacze mówią o tym wprost – jeśli ten sam trik interfejsowy przełoży się w skali na elektrody komercyjne, można będzie obniżyć ładunek platyny bez poświęcania gęstości prądu. Sztuczka na warstwie katalitycznej, która podnosi aktywność masową (zwłaszcza jeśli redukuje zużycie metalu szlachetnego), to jeden z bardziej bezpośrednich sposobów na obniżenie kapitału na kilowat. Warunek jest prozaiczny: trzeba wprowadzić to do rzeczywistego MEA i sprawdzić trwałość.
Czytaj też: Realna szansa na tańsze panele słoneczne. Cicha rewolucja ma miejsce w piecu
Największe zyski uzyskano jednak na uporządkowanych powierzchniach pojedynczych kryształów, czyli świetnych do zrozumienia mechanizmu, ale trudniejszych do odtworzenia w porowatych, realnych elektrodach. Część puryn (np. kofeina) przy większym pokryciu może się agregować i blokować miejsca aktywne. Dochodzi tym samym pytanie o trwałość dodatku w długich cyklach pracy, ale te sprawy rozstrzygną dopiero testy pilotażowe.