O grafenie słyszałem już tyle obietnic, że nie bez powodu reaguje na nie już wręcz alergicznie. Ten materiał miał zmienić elektronikę, energetykę, medycynę, akumulatory, ekrany, czujniki i pół świata przy okazji, a jednak po latach nadal częściej trafia na nagłówki niż do urządzeń. Tym jednak razem zatrzymałem się na grafenowej obietnicy dłużej, bo nowy temat nie dotyczy magicznego “supermateriału”, który samym istnieniem ma rozwiązać wszystko. Chodzi o bardzo konkretną słabość ogniw paliwowych, bo membranę.
W ogniwie paliwowym problemem nie zawsze jest wodór
Ogniwo paliwowe w teorii jest idealnym sposobem generowania energii. Wodór trafia na anodę, tlen na katodę, a między nimi zaczyna się kontrolowana elektrochemia. Elektrony płyną obwodem zewnętrznym i dają prąd, protony przechodzą przez membranę, a produktem ubocznym zostają woda oraz ciepło. Fajnie? Fajnie. Tyle tylko, że wodór od lat ma ten sam problem – jest trudny w obyciu. Magazynowanie, produkcja, koszt, infrastruktura, platyna, sprawność całego łańcucha energetycznego i trwałość materiałów. Pisałem już o tym przy wodorowych ogniwach paliwowych i ich irytujących ograniczeniach, a podobny kosztowy kontekst wrócił przy innym moim tekście, bo przy ogniwach paliwowych, które próbują uciec od drogich metali.
Czytaj też: Pijesz sobie z butelki, a ta żyje sobie w najlepsze i czeka na znak. Czy to właśnie plastik przyszłości?
W tym przypadku najważniejsza jest membrana. W wielu ogniwach odpowiada za transport protonów, ale typowe membrany protonowymienne lubią wilgoć. Gdy mają wodę, przewodzą protony sprawnie. Gdy robi się za gorąco i woda odparowuje, to wtedy od razu zaczyna się problem. Temperatura, która mogłaby poprawić kinetykę reakcji, uprościć odprowadzanie ciepła i zwiększyć odporność na niektóre zanieczyszczenia, nagle staje się wrogiem samego materiału. Właśnie dlatego praca zespołu z Monash University jest ważna, bo sprowadza się do membrany z grafenu i azotku boru, która to została połączona z nanouwięzionym kwasem fosforowym i pozwoliła na szybki transport protonów bez zależności od wody. Testy laboratoryjne wykazały działanie w temperaturze 250 stopni Celsjusza, więc pozostaje pytanie – jak taki mechanizm w ogóle działa?
Stawiając na azotek boru i grafen, naukowcy wykorzystali w tej membranie arkusze dwuwymiarowych materiałów. Po dodaniu specyficznie przygotowanego kwasu fosforowego ograniczyli z kolei przestrzeń i tym samym sprawili, że protony przestały “błądzić” w całym obiegu przez przypadkową strukturę. Zamiast tego zaczęły przechodzić przez uporządkowane ścieżki, a dodatkowo korzystać z mechanizmu przeskakiwania pomiędzy miejscami zdolnymi do ich przenoszenia.
Czytaj też: Ceny miedzi wreszcie spadną? Opracowali unikalny materiał na ich zastąpienie
W uproszczeniu działa to więc tak, że arkusze tworzą bezpośrednie drogi transportu, a kwas fosforowy działa jak medium przyspieszające “skakanie” protonów. Właśnie ten duet pozwala zachować przewodność w suchych i gorących warunkach. Ogniwa paliwowe pracujące w wyższej temperaturze mogą potencjalnie uprościć cały system pomocniczy. Mniej zależności od nawilżania membrany oznacza mniej komplikacji konstrukcyjnych, a praca w wyższej temperaturze może ułatwiać zarządzanie ciepłem.
Apetyt naukowców jest jeszcze większy
Jeden szczegół z tych badań szczególnie przyciąga uwagę. W testach okazało się, że membrana poradziła sobie dobrze także wtedy, gdy paliwem był skoncentrowany metanol. Oczywiście nie oznacza automatycznie, że za chwilę wszystkie ogniwa paliwowe przestawią się na metanol, ale tego typu sprawdzian pokazuje odporność koncepcji na trudniejsze środowisko pracy.
Czytaj też: Chińczycy wzięli materiał z Księżyca i rzucili go na pustynię. Efekty mają powalić świat
Metanolowe ogniwa paliwowe są zresztą bardzo kuszące, bo ciekłe paliwo łatwiej przechowywać niż sprężony wodór. Mają jednak własne problemy, a w tym przenikanie paliwa przez membranę i spadki sprawności. Jeżeli więc nowa architektura membrany rzeczywiście potrafi zachować stabilność w takich warunkach, to jej znaczenie może wyjść poza klasyczne ogniwa wodorowe. Zespół wskazuje zresztą szersze zastosowania swojego dzieła, a w tym rozszczepianie wody, redukcję dwutlenku węgla i syntezę amoniaku.
Teraz pozostaje tradycyjne pytanie – czy to pierwszy i ostatni raz, kiedy słyszymy o tym dziele? Odpowiedź na to pytanie udzieli tylko czas.
Źródła: TechXplore
