Wykorzystanie delikatnych z natury katalizatorów do wytwarzania i eksploatacji paliw chemicznych
Ogólnoświatowe przejście na zrównoważoną energię wymaga opracowania solidnych, wysoce aktywnych i skalowalnych katalizatorów. Katalizator to substancja, która przyspiesza reakcję chemiczną, przy czym sama nie ulega trwałej przemianie chemicznej. Weźmy na przykład produkcję wodoru, paliwa o zerowej emisji dwutlenku węgla, które może być wykorzystywane do napędzania pojazdów lub wytwarzania ciepła. Elektrolizer, który służy do produkcji wodoru przy użyciu wody i energii elektrycznej, oraz ogniwa paliwowe, które przekształcają wodór z powrotem w energię elektryczną, zazwyczaj w roli katalizatora wykorzystują metale szlachetne. Jednak ich ograniczona ilość oraz problemy związane z pozyskiwaniem ich w zrównoważony sposób okazały się główną przeszkodą w powszechnym wykorzystaniu wodoru. Niestety, alternatywne katalizatory oparte na bardziej trwałych metalach nie zapewniają stabilności, jakiej wymagają te zastosowania. Potrzebne jest nowe podejście do tego problemu. Pomoże w tym finansowany ze środków UE projekt REDOX SHIELDS (Protection of Redox Catalysts for Cathodic Processes in Redox Matrices). „Powszechnie uważa się, że chemiczna konwersja energii wymaga solidnego katalizatora”, mówi główny badacz Nicolas Plumeré, profesor na Uniwersytecie Technicznym w Monachium. „Ten projekt, który otrzymał wsparcie ze strony Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, ma na celu wykazanie, że delikatne z natury katalizatory również można wykorzystać do wytwarzania i eksploatacji paliw chemicznych”. W tym celu Plumeré stworzył innowacyjną matrycę polimerową przewodzącą elektrony, która chroni nawet najbardziej delikatne katalizatory, takie jak hydrogenaza, naturalny katalizator do produkcji lub utleniania wodoru. Ten innowacyjny system służy do elektrolizy wody, czyli reakcji elektrochemicznej, w ramach której woda (H2O) jest przekształcana w H2 i O2. Problem polega na tym, że uwolniony O2 może uszkodzić hydrogenazy, szybko pozbawiając je aktywności. „Nasz system rozwiązuje ten problem poprzez wykorzystanie uwolnionego H2 i użycie go do ochrony katalizatora przed dezaktywującym działaniem O2”, wyjaśnia Plumeré. „Ochrona ta jest również skuteczna w przypadku ogniw paliwowych dzięki wykorzystaniu H2 z podawanego paliwa”.
Kilka ważnych przełomów
Wykorzystanie tej nowej matrycy doprowadziło Plumeré’a do kilku ważnych, przełomowych osiągnięć. Obejmują one, na przykład, teoretyczne wykazanie, że matryce o minimalnym stopniu ochrony zapewniają prawie nieskończoną ochronę katalizatora – nawet gdy katalizatorem tym jest bardzo delikatna hydrogenaza. „Zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi umożliwia ona ochronę hydrogenaz przed tlenem nawet przez okres 20 000 lat”, zauważa Plumeré. „Pod względem praktycznym oznacza to, że możliwe jest całkowite zapobiegnięcie rozkładowi przez tlen bez konieczności poświęcania obciążenia katalizatora lub wydajności katalitycznej”. Następnie badacze zaprezentowali, w jaki sposób hydrogenaza może działać w obecności powietrza, np. w ogniwie paliwowym do przemiany wodoru w energię elektryczną. „To przełomowe odkrycie udowodniło, że hydrogenazy mogą pozostawać aktywne w tlenie przez ponad tydzień, podczas gdy w przeszłości enzym ten ulegał dezaktywacji w ciągu zaledwie kilku minut”, dodaje Plumeré.
Konkurencyjna alternatywa dla paliw kopalnych
Według Plumeré’a wyniki projektu mają bezpośrednie zastosowanie do urządzeń w kontekście biotechnologii i produkcji paliwa słonecznego. Oznacza to, że dzięki realizacji projektu odnawialne źródła energii mogą stać się konkurencyjną alternatywą dla paliw kopalnych. „W ramach projektu REDOX SHIELDS udało się z powodzeniem wykazać, że delikatność katalizatora nie wyklucza jego wykorzystania”, podsumowuje Plumeré. „W związku z tym jestem przekonany, że nasze odkrycia będą miały duży wpływ na sposób, w jaki społeczność zajmująca się chemiczną konwersją energii projektuje nowe molekularne i biologiczne katalizatory do wytwarzania paliw chemicznych”.
Słowa kluczowe
REDOX SHIELDS, katalizatory, paliwa chemiczne, energia odnawialna, energia zrównoważona, wodór, ogniwa paliwowe, hydrogenazy
