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.


Ismerd meg a ROADSTER magazint!
AUTÓK - DESIGN - GASZTRO - KULT - UTAZÁS - TECH // Ha szereted a minőséget az életed minden területén, páratlan élmény lesz!
Kövesd a Rakétát a Facebookon is!
Kövess, üzenj, kommentelj a Rakéta Facebook oldalán!
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.