Produkcja czystego wodoru przy użyciu katalizatorów inspirowanych naturą
Jeśli wodór (H2) ma rzeczywiście oferować rewolucyjne rozwiązania w zakresie czystej energii, podczas jego produkcji należy unikać emisji gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla (CO2). Obecnie jest to możliwe tylko w przypadku, gdy H2 jest otrzymywany z wody za pomocą elektrolizy, z wykorzystaniem odnawialnej energii elektrycznej, lub za pomocą foto(elektro)katalizy, z wykorzystaniem światła słonecznego. Pierwsza z tych metod jest czystą techniką wytwarzania H2, która wykorzystuje elektrolizery z membraną do wymiany protonów (ang. proton-exchange membrane electrolyser, PEMEL) – urządzenia, które wykorzystują energię elektryczną do rozszczepienia cząsteczek wody (H2O) na wodór (H2) i tlen (O2) w procesie elektrochemicznym. Membrany do wymiany protonów (ang. proton-exchange membrane, PEM) wykonane są z syntetycznego polimeru o nazwie Nafion. W skład elektrod wchodzą zazwyczaj katalizatory oparte na metalach szlachetnych, np. tlenku irydu, który przyspiesza wydzielanie O2, oraz platynie, która służy do produkcji H2. Chociaż technologię tę stosuje się już od jakiegoś czasu, ceny tych komponentów są wygórowane, a niska zasobność skorupy ziemskiej w metale szlachetne sprawia, że nie są one zrównoważone. Jako alternatywę zespół projektu PRODUCE-H2 (PROtotype Demonstration Using low-cost Catalysts for Electrolysis to H2), wspieranego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN), opracował innowacyjne katalizatory do produkcji H2 oparte na pierwiastkach występujących na Ziemi w dużych ilościach.
Naśladowanie procesu fotosyntezy
Projekt PRODUCE-H2 bazował na wynikach wcześniejszego projektu, photocatH2ode, w ramach którego opracowano materiały do bezpośredniego przekształcania światła słonecznego w paliwo w postaci H2, inspirując się sposobem, w jaki mikroalgi produkują H2 na potrzeby energii, wykorzystując światło słoneczne. W ramach poprzedniego projektu ERBN, photocatH2ode, opracowano fotoelektrody, w których materiały zbierające światło – w tym barwniki organiczne, polimery przewodzące i półprzewodniki – połączono z katalizatorami wytwarzającymi H2, zainspirowanymi enzymami hydrogenazowymi. „Wbudowaliśmy fotokatody w kompletne ogniwa fotoelektrochemiczne zdolne do wykorzystania światła słonecznego do rozszczepiania cząsteczek wody i produkcji H2”, mówi główny badacz projektu, Vincent Artero z francuskiego Komisariatu ds. Energii Atomowej i Alternatywnych Źródeł Energii (CEA). W ramach projektu photocatH2ode jego zespół odkrył, że strukturą molekularną amorficznego siarczku molibdenu – elektrokatalizatora do produkcji H2 – można łatwo manipulować w celu zwiększenia wydajności i stabilności. Ponadto molibden ma tę zaletę, że jest dostępny w dużych ilościach. W ramach projektu PRODUCE-H2 z różnych materiałów kompozytowych, pochodzących z katalizatorów opartych na amorficznym siarczku molibdenu, wytworzono farby katalityczne przy użyciu zgłoszonej do opatentowania techniki. Elektrokatalizatory te zostały następnie poddane testom w elektrolizerach typu PEMEL. „To był pierwszy raz, kiedy testowano w ten sposób katalizatory z metali nieszlachetnych. Niektóre z tych materiałów wykazywały bardzo dobrą stabilność i właściwą aktywność w porównaniu z platyną”, wyjaśnia Artero. Po przetestowaniu różnych metod produkcji katalizatorów zespół odkrył, że metoda syntezy z wykorzystaniem tanich prekursorów i kuchenki mikrofalowej pozwala w krótkim czasie otrzymać najbardziej aktywne i stabilne materiały. „Metoda ta może być łatwo skalowana, a analiza cyklu życia, przeprowadzona we współpracy ze spółką Toyota Motor Europe (produkującą samochody napędzane wodorem), wykazała wpływ na środowisko i korzyści kosztowe wynikające z zastosowania takich katalizatorów w porównaniu z katalizatorami z metali szlachetnych”, mówi Artero.
Ku gospodarce opartej na wodorze
Zespół projektu PRODUCE-H2 pracuje obecnie nad sfinalizowaniem prac nad prototypem elektrolizera PEM opartego na biopochodnych tworzywach sztucznych i wykorzystującego wytwarzanie przyrostowe. W celu dalszego postępu prac badacze zamierzają połączyć swój katalizator do produkcji H2 z innymi katalizatorami wykorzystującymi metale nieszlachetne. W szczególności chcą oni znaleźć sposób na zastąpienie tlenku irydu do produkcji O2 bardziej zrównoważonym katalizatorem – co jest bardziej złożonym wyzwaniem. „Chcemy również włączyć te katalizatory do naszego prototypu PEMEL z biopochodnych tworzyw sztucznych i połączyć go z ogniwem fotowoltaicznym, aby produkować H2 przy użyciu światła słonecznego i wody. Ta alternatywna metoda wytwarzania H2 może szybko okazać się bardziej konkurencyjna niż fotoelektrokataliza”, dodaje Artero. Wyniki projektu PRODUCE-H2 mogą pomóc w dekarbonizacji systemów energetycznych, transportowych i przemysłowych, przyczyniając się do rozwoju gospodarki opartej na wodorze, zapewniając UE większą niezależność energetyczną i bezpieczeństwo poprzez zmniejszenie zależności od importowanych paliw kopalnych.
Słowa kluczowe
PRODUCE-H2, wodór, H2, emisje, energia, katalizator, elektrolizer, membrana, światło słoneczne, molibden, metal
