Kiderült, miért nem elég hatékony az elektrolízises vízbontás a hidrogén üzemanyag előállítása során

2021 / 05 / 10 / Bobák Zsófia
Kiderült, miért nem elég hatékony az elektrolízises vízbontás a hidrogén üzemanyag előállítása során
A hidrogén alapú autózás jövőjének egyik kerékkötője az emberek által kialakított közlekedési rendszer, ami főként a fosszilis üzemanyagokra épül. A másik a nanorészecskék slendrián munkavégzése, amit most egészen közelről figyeltek meg.

Ha végigsétálunk bármelyik nagyváros, például, kézenfekvő módon, Budapest belvárosán, könnyen megérhetjük, miért lenne annyira üdvös dolog, ha sikerülne áttérni a benzines járműközlekedésről az elektromos vagy hidrogén meghajtásúra. Amíg a levegőbe bocsátott üvegházhatású gázok klímaváltozást vagy globális felmelegedést előidéző hatása távoli, megfoghatatlan és sokak számára vitatható koncepciót jelentenek csak, addig a szmog és a zaj, ami a fosszilis üzemanyagok által működtetett járműveket kíséri, azonnal észrevehető jelenségek és minimális erőfeszítéssel is elképzelhetjük, mennyivel élhetőbbé válna a város, ha holnaptól megszűnne az összes kipufogógáz.

Az áttérést pedig lehetne inkább visszatérésének is nevezni, hiszen a legelső elektromos kocsik már a 19. században megjelentek és pontosan ugyanazért voltak népszerűek, mint ma is, vagyis a hang-, és szaghatások hiánya miatt, az már csak plusz ráadás volt, hogy könnyebb volt őket kezelni, mint a kurblis járműveket. Maga Henry Ford is kísérletezett a villamosáramot használó autó fejlesztésével, miután barátja, Edison kifejlesztette az ehhez szükséges akkumulátort, bár később félig-meddig ő ágyazott meg az elektromos személyi közlekedés hanyatlásának a Model T-vel. Meg persze a benzin elérhetősége és az elektromos áram (akkori) elérhetetlensége a vidéki területeken.

A hidrogéncellás technológia szintén nem új találmány, az első üzemanyagcellás megoldások már az 1830-as években megszülettek, az első hidrogénautó pedig 1966-ban indult útnak, de a technológia csak mostanában kezd igazán nagy figyelmet kapni. Ezt részben a klíma miatti aggodalmak vezérlik, illetve azok a szabályozások, amelyek korlátozzák a károsanyagkibocsátási értékeket, részben a fosszilis alapanyagok egyre nehezebb elérhetősége, részben a technológia fejlődése, részben az aktuális trendek, amiről egy magára valamit is adó gyártócég sem akar lemaradni. A hidrogén alapú autózás/közlekedés egyik hátulütője, hogy egyelőre nincs meg hozzá a megfelelő infrastruktúra, a másik, hogy ahhoz, hogy valóban környezetbarát és megfizethető legyen, a lehető legjobb hatásfokú vízbontási technológiát kell kifejleszteni, amit még egyelőre nem sikerült teljes egészében megvalósítani.

Az elektrolízis elméleti maximális hatásfoka 80-90% lehetne, de jelenleg nagyjából 75% körüli a teljesítmény, a Stanford kutatóinak elmondása szerint.

A Stanford Egyetem, a Warwick Egyetem és a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium együttműködésével készült vizsgálatok most felfedték az okát, hogy ez miért van így, méghozzá egészen a legkisebb résztvevő egységek, a nanorészecskék szintjén. A víz hidrogénné és oxigénné való szétbontásának egyik fázisa az úgynevezett OER (oxygen evolution reaction, oxigén evolúciós reakció), amelynek során oxigéngáz képződik az anódon és hidrogén a katódon. Ahhoz, hogy jobban megértsék, hogyan is zajlik le az OER fázisa, a kutatók mikroszkóp alá helyezték azt a speciálisan erre a célra készített, apró elektrokémiai cellát, amely elfért egy vízcseppben, majd megfigyelték az egyes, katalízisben résztvevő részecskék egyenkénti működését.


A hatoldalú nanokristályok reakcióba lépnek az elektrolittal a Stanford, SLAC, Berkeley Lab és Warwick vizsgálata során (Kép: CUBE3D Graphic)

A vizsgálat szerint ezek az egészen kicsi lapocskák (a vörösvértestek kétszázszor nagyobbak náluk) nagy szerepet játszanak az oxigén generálásában, de a katalízis elsősorban a széleken zajlik le, ahol kémiai reakcióba lépnek az őket körülvevő elektrolittal. Vagyis a lemezek közepe nagyrészt kihasználatlanul marad a folyamat során. A részecskék anyaga kobalt-oxid volt, amelyet lapos, hatoldalú kristályok alkotnak. Egy-egy ilyen hatszögű lemez a szélein sokkal vékonyabb és élesebb, mint a közepénél, ezért ilyen mikroszkopikus szinten is könnyű volt meghatározni, hogy a reakciók pontosan hol indultak be. Az elektrokémiai atomerő-mikroszkóp azt is megmutatta, hogy ezek a reakciók a kutatók előzetes feltételezéseivel ellentétes módon alakultak a valóságban: ahelyett, hogy a protonok rögtön elhagyták volna a katalizátort, először hidroxid ionok épültek be a részecskék közé, amelyek a keletkező víztől felpuffadtak. A folyamat későbbi szakaszában aztán a víz és a protonok is az elvárt módon elhagyták a katalizátort.

Azzal, hogy sikerült felfedezni, hogy a nanolemezek külső szélei a legfontosabb helyszínei az oxigéngeneráló folyamatoknak, a jövőben lehetővé válik, hogy valamilyen módon ezt a területet megnöveljék, vagy optimalizálják a vízbontási technológiák fejlesztésénél. Tyler Mefford, a kutatás vezetője elmondta, ez a közeli betekintés az egyes nanorészecskék életébe nem csak a hidrogén üzemanyagok gyártását segítheti elő, hanem egyéb elektrokémiai anyagok és folyamatok tanulmányozását és hatékonyságának növelését is, könnyebben érthetővé válik például a gyorstöltés során fellépő reakciók vagy a szén-dioxid megkötésére szolgáló módszerek pontos működése.

(Fotó: CUBE3D Graphic, Flickr/jsmjr, GettyImages/janeff)

További cikkek a témában:

Hidrogénautózás: van ennek értelme? Még épp csak elkezdtük elfogadni az akkumulátoros elektromos autók létezését, de már ott tornyosul a következő reformhullám mögöttük: a hidrogén-alapú mobilitás.
Hidrogénnel, biokerozinnal vagy akkumulátorral repülünk majd 2050-ben? Rövid utakra valószínűleg villannyal és hidrogénnel, hosszú utakra bioüzemanyagokkal.
Csapdába esett algák állíthatják elő a jövő energiahordozóját, a hidrogént Méghozzá fotoszintézis útján, mely folyamat alapvetően amúgy oxigént termel. Ha ez az ötlet beválik, úgy sikerül energia-hatékony módon hidrogént előállítani, aminek hiánya mindig is nagy hátulütője volt ennek az energiahordozónak.


Élettelen szeretők - mik az előnyei és hátrányai, ha szexrobotokra cseréljük az embereket?
Élettelen szeretők - mik az előnyei és hátrányai, ha szexrobotokra cseréljük az embereket?
Disztópia, újfajta szórakozás, a technológia térnyerése vagy egy eszköz, ami sok problémát meg tud oldani - a szexuális célokra szánt emberszerű gépeket nagyon eltérő szemszögekből lehet nézni, de egy biztos: a robotok készülnek és egyre emberibbé válnak. Legújabb sorozatunkban partnerünkkel, Magyarország legnagyobb felnőtt áruházával, a Vágyaim.hu csapatával együtt kutatjuk, merre tart az emberiség a szexualitás egyre digitálisabb ösvényein...
Az Amazon létrehozta az egymilliárd paraméteres szövegfelolvasó modellt, de nem adja az emberek kezébe
Az Amazon létrehozta az egymilliárd paraméteres szövegfelolvasó modellt, de nem adja az emberek kezébe
A BASE TTS-t százezer órányi nyilvánosan elérhető beszédfelvételen gyakorlatoztatták és minden eddiginél természetesebb hangot tudnak létrehozni a segítségével.
Ezek is érdekelhetnek
HELLO, EZ ITT A
RAKÉTA
Kövess minket a Facebookon!
A jövő legizgalmasabb cikkeit találod nálunk!
Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.



This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.