Ogniwa paliwowe od dawna uważane są za jedną z obiecujących technologii przyszłości, ale ich masowe zastosowanie wciąż napotyka poważne bariery. Głównym problemem pozostają koszty produkcji, które w znacznym stopniu zależą od wykorzystywanych materiałów. Zespół naukowców pokazał, że takim materiałem może być… dobrze rozłożony torf. Ten niepozorny surowiec, po odpowiedniej obróbce, staje się bazą dla katalizatorów żelazowo-azotowo-węglowych, które w testach dorównują materiałom na bazie platyny i mogą być produkowane znacznie taniej.
Estoński torf jako surowiec przyszłości?
Badacze z Helmholtz-Zentrum Berlin, Physikalisch-Technische Bundesanstalt oraz uniwersytetów w Tartu i Tallinnie opracowali metodę przekształcania tego naturalnego surowca w wydajne katalizatory żelazowo-azotowo-węglowe. Chociaż to rozwiązanie brzmi niemal zbyt pięknie, aby mogło być prawdziwe, to wstępne wyniki wyglądają obiecująco. Musimy jednak wiedzieć, że same katalizatory na bazie węgla, żelaza i azotu nie są nowym pomysłem i dopiero teraz naukowcom udało się zrozumieć, co decyduje o ich efektywności. Zespół skupił się na identyfikacji kluczowych cech strukturalnych materiału. Okazało się, że dobrze rozłożony torf stanowi idealny naturalny prekursor, zawierający optymalne proporcje węgla i azotu oraz umożliwiający wprowadzenie żelaza.
Ponieważ Fe-N-C może być syntetyzowany z dobrze rozłożonego torfu, materiał jest prawdziwie przyjazny dla środowiska. Estońskie złoża oferują obiecujące zasoby do produkcji zaawansowanych materiałów funkcjonalnych – Rutha Jäger, Uniwersytet w Tartu
Czytaj też: Ścieli rachunki o ponad połowę. Jedna pompa ciepła to przeżytek na tle tej “prywatnej elektrowni”
Estonia dysponuje znacznymi złożami torfu, co może potencjalnie uczynić ten kraj ważnym ośrodkiem produkcji tanich katalizatorów. W przeciwieństwie do platyny, której wydobycie jest kosztowne i obciążające dla środowiska, torf stanowi zasób odnawialny. Proces przetwarzania go na katalizatory Fe-N-C wymaga znacznie mniej energii niż rafinacja metali szlachetnych.
Sekret tkwi w strukturze nanoskopijnych porów
Przez długi czas pozostawało zagadką, dlaczego niektóre katalizatory Fe-N-C osiągają wydajność porównywalną z platyną, podczas gdy inne zawodzą. Odpowiedź kryje się w mikrostrukturze materiału, a konkretnie w geometrii porów o rozmiarach nanometrycznych. Badacze wykorzystali zaawansowane techniki rozpraszania promieni rentgenowskich w synchrotronie BESSY II do precyzyjnego mapowania wewnętrznej architektury katalizatorów.
Rozpraszanie promieni rentgenowskich pod małym kątem dostarcza szczegółowych i ilościowych informacji na temat krzywizny porów oraz stosunku rozmiaru porów do grubości ścianek porów, a więc parametrów, które trudno jest zmierzyć bezpośrednio innymi metodami – Eneli Härk, członkini zespołu badawczego
Czytaj też: Nowy energetyczny trik Chin. Jak słoneczno-jądrowy “mózg” opanował prąd do perfekcji?
Naukowcy zidentyfikowali trzynaście kluczowych parametrów strukturalnych wpływających na wydajność katalityczną. Najważniejsze okazały się hierarchiczna porowatość, nieuporządkowanie strukturalne oraz krzywizna porów. Ten ostatni parametr ma szczególne znaczenie, ponieważ optymalna krzywizna wynosząca minimum trzy nanometry zapewnia najlepszą redukcję tlenu do wody przy jednoczesnym minimalizowaniu powstawania problematycznego nadtlenku wodoru.
Rozpraszanie pod małym kątem dostarcza nam, że tak powiem, precyzyjnej mapy mrowiska, podczas gdy zachowanie elektrochemiczne katalizatora pokazuje nam, jak “mrówki”, czyli molekuły, poruszają się w jego wnętrzu – tłumaczy Eneli Härk.
Ta metafora dobrze oddaje istotę odkrycia. Badacze nie tylko zobaczyli strukturę materiału, ale przede wszystkim zrozumieli, w jaki sposób geometria porów wpływa na przepływ reagentów i produktów reakcji. Dzięki temu możliwe stało się projektowanie katalizatorów o pożądanych właściwościach poprzez modyfikację warunków syntezy.
Od laboratorium do przemysłu
Zrozumienie związku między strukturą a wydajnością otwiera drogę do komercjalizacji tej technologii. Producenci ogniw paliwowych mogą teraz optymalizować katalizatory Fe-N-C, dostosowując ich mikrostrukturę do konkretnych zastosowań. Szczególnie obiecujące wyniki osiągnięto w przypadku ogniw z membraną do wymiany anionów. Samo obniżenie kosztów katalizatorów może stanowić istotny krok naprzód dla całej branży. Ogniwa paliwowe przekształcają wodór bezpośrednio w energię elektryczną, produkując jedynie wodę jako produkt uboczny. Technologia ta ma duży potencjał w transporcie, energetyce rozproszonej oraz magazynowaniu energii. Dotychczas główną przeszkodą było wykorzystanie platyny, której cena waha się od kilkudziesięciu do ponad stu tysięcy złotych za kilogram.
Czytaj też: Akumulatorowy Święty Graal ożywa w Japonii. Czas zacząć myśleć o końcu silnika spalinowego
Katalizatory Fe-N-C wytworzone z torfu mogą kosztować ułamek tej kwoty przy zachowaniu porównywalnej wydajności. Odkrycie estońsko-niemieckiego zespołu pokazuje realną ścieżkę od naturalnego surowca do funkcjonalnych ogniw paliwowych. Jeśli technologia zostanie skutecznie przeskalowana do poziomu produkcji przemysłowej, to samo w sobie może znacząco przyczynić się do przyspieszenia transformacji energetycznej i realizacji wizji gospodarki wodorowej, choć droga od obiecujących badań laboratoryjnych do komercyjnego sukcesu bywa długa i pełna wyzwań.