Gdy mówimy o wodorze jako paliwie przyszłości, zwykle na pierwszy plan wysuwają się wielkie słowa takie jak neutralność klimatyczna, zielona transformacja, gospodarka bez emisji. Rzadziej wspomina się o cichych hamulcowych tej wizji, czyli drogich metalach szlachetnych, z których buduje się serce elektrolizerów. W praktyce to właśnie platyna, iryd czy ruten decydują, ile naprawdę kosztuje wyprodukowanie kilograma wodoru i czy cała zabawa ma sens w skali przemysłowej. Nowe odkrycie naukowców może wpłynąć na ten balans.
Kryształy platyny rosnące w kropli ciekłego metalu
Każde ziarno krystaliczne w łopatce turbiny, każdy defekt w mikroprocesorze, każde aktywne centrum w katalizatorze jest efektem końcowym procesu, który zazwyczaj zachodzi poza naszym wzrokiem, w temperaturach i gęstościach wymykających się możliwościom klasycznych mikroskopów. Oto jednak pod koniec 2025 roku zespół kierowany przez inżyniera chemika Kourosha Kalantara-Zadeha zarejestrował trójwymiarowy zapis w czasie rzeczywistym, który pokazuje, jak wewnątrz kropli ciekłego metalu wyrastają kryształy platyny. Na obrazach widać coś, co przypomina nagły rozkwit szronu wewnątrz srebrzystej sfery.
Czytaj też: Felgi wypełniane metalem w 0,05 sekundy. Nowa metoda produkcji felg podbija niemieckie koncerny
Skutki tej obserwacji wykraczają daleko poza walory wizualne. Jeśli naukowcy nauczą się rozumieć i kontrolować taki sposób wzrostu kryształów, to z pewnością będą mogli projektować metaliczne struktury o właściwościach dokładnie dopasowanych do tego, czego najbardziej potrzebujemy: wydajniejszej produkcji wodoru z wody oraz (potencjalnie) nowych klocków dla technologii kwantowych.
Metal, który topi się w dłoni, jako inkubator kryształów
W centrum eksperymentu znajduje się gal, czyli miękki, srebrzysty metal z niemal komiczną “sztuczką imprezową”, który w temperaturze pokojowej balansuje na granicy stanu stałego i ciekłego. Jego temperatura topnienia wynosi około 29,8°C, więc mały kawałek zachowuje kształt w chłodny dzień, ale zamienia się w lustrzaną kałużę, gdy go ogrzać w dłoni. Gal i jego stopy to dziś jednak coś znacznie więcej niż ciekawostka. W ostatniej dekadzie stały się poważną platformą badawczą dla tak zwanych ciekłych metali. Te materiały płyną jak gęsta ciecz, ale przewodzą prąd jak zwykły metal, a ich atomy są upakowane tak ściśle, że światło widzialne przenika jedynie przez bardzo cienką warstwę powierzchniową. Co więcej, potrafią zaskakująco dobrze rozpuszczać inne metale – platyna rozpuszcza się w ciekłym galu trochę jak cukier w gorącej herbacie, mimo że w masie topi się dopiero przy około 1770°C.
To zachowanie rozpuszczalnika ma kluczowe znaczenie. W ciekłym metalu pojedyncze atomy lub małe skupiska “gościnnego” metalu mogą poruszać się z dużo mniejszymi ograniczeniami niż w krysztale stałym. W sprzyjających warunkach łączą się w nowe fazy krystaliczne, które w inny sposób trudniej byłoby wyhodować. Dlatego też, jeśli da się użyć stosunkowo “łagodnego” ciekłego metalu, takiego jak gal czy stop galowo-indowy, jako trójwymiarowego środowiska wzrostu, to można zacząć projektować katalizatory i kryształy funkcjonalne o bardzo precyzyjnych kształtach i składach, bez ekstremalnych temperatur i ciśnień klasycznej metalurgii.
Jest jednak haczyk. Gal jest gęsty i silnie nieprzezroczysty. Zwykłe mikroskopy optyczne praktycznie nie widzą tego, co dzieje się pod powierzchnią, a mikroskopy elektronowe wymagają cienkich, stałych próbek w próżni. Można co prawda wyciągnąć kryształy po ich wyhodowaniu i obejrzeć je z zewnątrz, ale wtedy analizuje się wyłącznie efekt końcowy. Odtworzenie sposobu, w jaki kryształy naprawdę powstawały, przypomina próby zrekonstruowania całego filmu na podstawie jednego kadru. Zespół z Sydney rozwiązał ten problem za pomocą technologii, którą większość osób kojarzy raczej ze szpitalem niż z laboratorium chemicznym: tomografii komputerowej z użyciem promieniowania X, czyli XCT.
Obracając kroplę ciekłej stopu w intensywnej wiązce rentgenowskiej i wielokrotnie ją skanując w czasie, badacze mogli zbudować zmieniającą się w czasie trójwymiarową mapę wszystkiego, co jest w środku, włącznie z krystalicznymi strukturami, które pojawiają się podczas chłodzenia. To wcale nie było proste. Aparatura musiała generować promieniowanie X o energii wystarczającej, by “przebić się” przez gęstą kroplę metalu, jednocześnie nie niszcząc próbki, oraz zapewniać taką rozdzielczość przestrzenną, by odróżnić pojedyncze mikrokryształy od zaszumionego tła. Zespół podaje, że w obecnej konfiguracji jest ograniczony do struktur większych niż około 25 mikrometrów, czyli mniej więcej połowa grubości ludzkiego włosa, ale to już wystarcza, by śledzić narodziny i wzrost wielu metalicznych kryształów w miarę ich dojrzewania.
Rozpuszczanie platyny w 500°C i obserwacja, jak kryształy rozkwitają
W kluczowych eksperymentach badacze umieszczali mikroskopijne kulki platyny w dwóch typach ciekłego metalu: czystym galu oraz eutektycznym stopie galu z indiem. Mieszaninę ogrzewali następnie do około 500°C, czyli do poziomu, w którym platyna zaczynała się rozpuszczać, dzięki obecności w galu. Gdy platyna była już całkowicie rozpuszczona, a kropla równomiernie wymieszana, zespół zaczynał kontrolowane chłodzenie w ramach wielu scenariuszy. Każdy z nich tworzył nieco inny krajobraz termodynamiczny dla rozpuszczonych atomów platyny. Tu właśnie filmy rentgenowskie robią się najbardziej fascynujące, bo w kroplach na bazie galu faza bogata w platynę ma tendencję do wzrostu w formie długich, prętowatych kryształów.
Czytaj też: Enigma XXI wieku już istnieje. Chiny i Europa wdrażają technologię przyszłości
Przy powolnym chłodzeniu niektóre pręty osiągały długość nawet około 2,8 milimetra, podczas gdy szybko chłodzone próbki dawały znacznie mniejsze pręciki, mierzące od dziesiątek do setek mikrometrów. W EGaIn natomiast kryształy preferują bardziej zwarte, wielościenne kształty i zbijają się w struktury przypominające osad szronu. Dane z XCT pozwoliły także opisać tempo wzrostu. W najszybciej chłodzonych próbkach niektóre kryształy wydłużały się o dziesiątki mikrometrów na minutę, natomiast przy powolnym chłodzeniu rosły nawet dziesięć razy wolniej, ale miały więcej czasu, by stać się duże.
Dokładne pomiary dyfrakcyjne pokazały, że nie są to kryształy czystej platyny, lecz związki międzymetaliczne. W ciekłym galu dominującą fazą jest Ga₂Pt, podczas gdy w stopie galowo-indowym główną fazą jest Ga₇Pt₃ z niewielką domieszką bogatego w ind In₇Pt₃. Innymi słowy, skład rozpuszczalnika i przebieg historii cieplnej nie tylko zmieniają kształt kryształów, ale wręcz determinują, która dokładnie faza stopowa powstanie – łącznie z proporcją galu, indu i platyny w komórce elementarnej.
Wielka szansa dla wodoru, czyli co zdradziło promieniowanie rentgenowskie?
Ładne obrazki i statystyka to jedno, ale badanie idzie krok dalej i pyta, czy kryształy wyhodowane w ciekłym metalu są w praktyce użyteczne. Autorzy wyizolowali cząstki związków międzymetalicznych z kropli, wypłukali resztki galu i osadzili kryształy na elektrodzie z węgla szkłistego. Następnie przetestowali tak przygotowaną elektrodę w standardowym układzie elektrochemicznym dla reakcji wydzielania wodoru, czyli tej części rozkładu wody, w której na katodzie powstaje gazowy wodór. W kwaśnym elektrolicie (0,5-molowy roztwór kwasu siarkowego) najlepiej zachowywał się materiał otrzymany z użyciem galu jako rozpuszczalnika i szybkiego chłodzenia. Ta bogata w Ga₂Pt „mieszanka” kryształów osiągała gęstość prądu 10 miliamperów na centymetr kwadratowy przy nadpotencjale około 102 milivoltów względem odwracalnej elektrody wodorowej. W warunkach zasadowych (0,1-molowy roztwór wodorotlenku potasu) ten sam katalizator potrzebował około 171 milivoltów, aby osiągnąć tę samą gęstość prądu, co jest typowe, bo zasadowa reakcja wydzielania wodoru napotyka dodatkową barierę kinetyczną związaną z dysocjacją cząsteczek wody.
Dla porównania, komercyjny katalizator platyna na węglu wciąż jest znakomitym materiałem do reakcji wydzielania wodoru, ale wykorzystuje bardzo dużą powierzchnię platyny, a jego wydajność w środowisku zasadowym również spada. Zespół z Sydney podkreśla, że gal jest wielokrotnie tańszy od platyny i że w związkach międzymetalicznych każdy atom platyny może w pewnym sensie “dzielić się” obowiązkami katalitycznymi z kilkoma otaczającymi atomami galu, które także uczestniczą w adsorpcji i desorpcji wodoru. To oznacza podobną lub lepszą aktywność przy istotnie mniejszej ilości platyny, co ma znaczenie, gdy metal kosztuje około 50 dolarów za gram.
Czytaj też: Akumulatorowy Święty Graal ożywa w Japonii. Czas zacząć myśleć o końcu silnika spalinowego
Nie oznacza to naturalnie, że jutro zobaczymy kryształy platyny w galowym „odcisku” wewnątrz komercyjnych stosów elektrolizerów. Eksperymenty mają charakter dowodu koncepcji, wykorzystują mikroskopijne krople i precyzyjnie dobrane warunki laboratoryjne, a skalowanie takiej metody syntezy do skali kilogramów czy ton, zapewnienie odpowiedniej odporności mechanicznej, długoterminowej stabilności i opłacalności względem już stosowanych katalizatorów nośnikowych pozostaje poważnym wyzwaniem inżynieryjnym. Poza produkcją wodoru, badacze i biuro prasowe uczelni wskazują jako potencjalnych długoterminowych beneficjentów tej pracy komputery kwantowe, a nawet inteligentne materiały. Droga do realnych zysków jest jednak daleka.