Η ηλεκτρόλυση νερού με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMWE) θεωρείται τεχνολογία παραγωγής υδρογόνου επόμενης γενιάς λόγω της ικανότητάς της να παράγει υδρογόνο υψηλής καθαρότητας σε υψηλή πίεση
Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Hee-Tak Kim του Τμήματος Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής του Κορεατικού Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας (KAIST), σε κοινή μελέτη με τον Gisu Doo του Κορεατικού Ινστιτούτου Ενεργειακής Έρευνας (KIER), ανέπτυξε μια τεχνολογία ηλεκτρόλυσης νερού χωρίς πλατίνα.
Νέες διαδικασίες ηλεκτρόλυσης νερού
Η ηλεκτρόλυση νερού, η οποία διασπά το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια, αναγνωρίζεται ως μια φιλική προς το περιβάλλον μέθοδος παραγωγής υδρογόνου. Συγκεκριμένα, η ηλεκτρόλυση νερού με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMWE) θεωρείται τεχνολογία παραγωγής υδρογόνου επόμενης γενιάς λόγω της ικανότητάς της να παράγει υδρογόνο υψηλής καθαρότητας σε υψηλή πίεση. Ωστόσο, έχει αντιμετωπίσει περιορισμούς στην εμπορευματοποίηση λόγω της εξάρτησής της από ακριβούς καταλύτες πολύτιμων μετάλλων και υλικά επικάλυψης. Σε απάντηση, Κορεάτες ερευνητές έχουν αναπτύξει μια εναλλακτική προσέγγιση που στοχεύει στην υπέρβαση αυτών των τεχνικών και οικονομικών περιορισμών.
Όπως αποκαλύφθηκε, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στον κύριο λόγο για τον οποίο το οξείδιο του ιριδίου (IrOx), ένας εξαιρετικά ενεργός καταλύτης για ηλεκτρόδια ηλεκτρόλυσης νερού, δεν αποδίδει βέλτιστα και διαπίστωσαν ότι αυτό οφείλεται στην αναποτελεσματική μεταφορά ηλεκτρονίων. Η ομάδα φέρεται να απέδειξε ότι η απόδοση μπορεί να μεγιστοποιηθεί ελέγχοντας το μέγεθος των σωματιδίων του καταλύτη.
Το KAIST δήλωσε ότι αυτή η μελέτη αποκάλυψε ότι ο λόγος για τον οποίο οι καταλύτες οξειδίου του ιριδίου δεν εμφανίζουν εξαιρετική απόδοση χωρίς επικάλυψη πλατίνας οφείλεται στην «αντίσταση μεταφοράς ηλεκτρονίων» που εμφανίζεται στη διεπαφή μεταξύ του καταλύτη, του αγωγού ιόντων (ιοντομερές) και των υποστρωμάτων τιτανίου (Ti).
Για όλα ευθύνονται τα ηλεκτρόνια
Συγκεκριμένα, οι ερευνητές εντόπισαν ότι το φαινόμενο «pinch-off», όπου η οδός ηλεκτρονίων μπλοκάρεται μεταξύ του καταλύτη, του ιοντομερούς και του υποστρώματος τιτανίου, είναι η κρίσιμη αιτία μειωμένης αγωγιμότητας, σημείωσε το KAIST, προσθέτοντας: «Το ιοντομερές έχει ιδιότητες κοντά σε έναν μονωτή ηλεκτρονίων, εμποδίζοντας έτσι τη ροή ηλεκτρονίων όταν περιβάλλει τα σωματίδια του καταλύτη. Επιπλέον, όταν το ιοντομερές έρχεται σε επαφή με το υπόστρωμα τιτανίου, σχηματίζεται ένα φράγμα ηλεκτρονίων στο επιφανειακό στρώμα οξειδίου του υποστρώματος τιτανίου, αυξάνοντας σημαντικά την αντίσταση».
Για να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα, η ομάδα φέρεται να κατασκεύασε και να συνέκρινε καταλύτες διαφόρων μεγεθών σωματιδίων και, όπως ισχυρίστηκε, «απέδειξε, για πρώτη φορά παγκοσμίως, ότι όταν χρησιμοποιούνται σωματίδια καταλύτη οξειδίου του ιριδίου με μέγεθος 20 νανόμετρα (nm) ή μεγαλύτερο, η περιοχή μεικτών ιοντομερών μειώνεται, εξασφαλίζοντας μια οδό ηλεκτρονίων και αποκαθιστώντας την αγωγιμότητα».
Οι απαιτούμενες τροποποιήσεις
Είναι κατανοητό ότι οι ερευνητές ρύθμισαν επίσης τη δομή της διεπιφάνειας μέσω ελεγχόμενων τροποποιήσεων σχεδιασμού. Το KAIST δήλωσε: «Αυτό το επίτευγμα κατέδειξε ότι η προηγουμένως αναπόφευκτη αντιστάθμιση μεταξύ της δραστηριότητας του καταλύτη και της αγωγιμότητας μπορεί να ξεπεραστεί μέσω σχολαστικού σχεδιασμού της διεπιφάνειας».
Σύμφωνα με το ινστιτούτο, τα ευρήματα μπορεί να αποτελούν ένα βήμα μπροστά «όχι μόνο για την ανάπτυξη υλικών καταλυτών υψηλής απόδοσης, αλλά και για τη μελλοντική εμπορευματοποίηση συστημάτων ηλεκτρόλυσης νερού με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων που μπορούν να επιτύχουν υψηλή απόδοση, μειώνοντας παράλληλα την ποσότητα των πολύτιμων μετάλλων που χρησιμοποιούνται».
Ο Hee-Tak Kim δήλωσε: «Αυτή η έρευνα παρουσιάζει μια νέα στρατηγική σχεδιασμού διεπαφών που μπορεί να επιλύσει το πρόβλημα της αγωγιμότητας της διεπιφάνειας, το οποίο αποτελούσε εμπόδιο στην τεχνολογία ηλεκτρόλυσης νερού υψηλής απόδοσης. Εξασφαλίζοντας υψηλή απόδοση ακόμη και χωρίς ακριβά υλικά όπως η πλατίνα, θα αποτελέσει ένα βήμα πιο κοντά στην υλοποίηση μιας οικονομίας υδρογόνου».
www.worldenergynews.gr
